Comportarea Imbinarilor Profilelor Cu Pereti Subtiri

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Este o scurtă introducere în sfera profilelor cu pereţi subţiri totodată stabilindu-se în acest capitol principalele obiective ale lucrării.

Text of Comportarea Imbinarilor Profilelor Cu Pereti Subtiri

  • TEOFIL FLORIN GLANU

    COMPORTAREA MBINRILOR ELEMENTELOR STRUCTURALE REALIZATE DIN PROFILE DIN OEL

    CU PEREI SUBIRI LAMINATE LA RECE

    Editura NAPOCA STAR

  • Teofil Florin GLANU

    COMPORTAREA MBINRILOR

    ELEMENTELOR STRUCTURALE

    REALIZATE DIN PROFILE DIN OEL CU

    PEREI SUBIRI LAMINATE LA RECE

    Editura NAPOCA STAR

    -2011-

  • 1.Introducere

    1

    CUPRINS CAPITOLUL 1 ................................................................................................ 31. INTRODUCERE ......................................................................................... 3CAPITOLUL 2 ................................................................................................ 72. SCURT ISTORIC I ASPECTE CARACTERISTICE ALE BARELOR CU PEREI SUBIRI DIN OEL FORMATE LA RECE .. 7

    2.1 Scurt istoric i generaliti ........................................................................................... 72.2 Cldiri civile i industriale standardizate ................................................................... 142.3 Tipuri de profile cu perei subiri formate la rece ...................................................... 182.4 Tehnici de fabricare i efectele acestora asupra seciunii .......................................... 222.5 Conceptul de lime eficace. ...................................................................................... 242.6 Stabilitatea barelor cu perei subiri ........................................................................... 262.7 Concluzii .................................................................................................................... 28

    CAPITOLUL 3 .............................................................................................. 293. CARACTERISTICI ALE MBINRILOR CU URUBURI LA PROFILELE DIN OEL FORMATE LA RECE. .................................... 29

    3.1 Introducere ................................................................................................................. 293.2 Clasificarea mbinrilor la construciile metalice. Criterii de clasificare. ................. 323.3 Aspecte caracteristice ale calculului profilelor cu perei subiri formate la rece regsite n normele de proiectare. .................................................................................... 343.4 Alctuirea mbinrilor elementelor structurale din profile cu perei subiri formate la rece ................................................................................................................................... 40

    3.4.1 Alctuirea mbinrilor la perei structurali realizai din profile cu perei subiri 403.4.2 Alctuirea mbinrilor la cadrele structurilor uoare din profile cu perei subiri ..................................................................................................................................... 453.4.3 Metoda componentelor ....................................................................................... 51

    3.5 Studii concrete n domeniu ........................................................................................ 53CAPITOLUL 4 .............................................................................................. 714.PROGRAM EXPERIMENTAL PRIVIND STUDIUL COMPORTRII UNOR TIPURI DE MBINRI DINTRE PROFILELE DE TIP KB ..... 71

    4.1 Introducere ................................................................................................................. 714.2 Comportarea mbinrilor cu uruburi de nalt rezisten pretensionate specifice profilelor cu perei subiri ................................................................................................ 72

    4.2.1. Aspecte generale ................................................................................................ 724.2.2 Scopul ncercrii ................................................................................................. 754.2.3 Descrierea standului i a epruvetei. Condiii de ncercare .................................. 764.2.4 Rezultate experimentale ...................................................................................... 804.2.5 Concluzii ............................................................................................................. 87

    4.3 Program experimental privind mbuntirea mbinrilor dintre elementele structurale tip KB ............................................................................................................. 88

    4.3.1 Generaliti .......................................................................................................... 884.3.2 Concepia mbinrii tip carcas ........................................................................ 884.3.3 Descrierea standul de ncercare i desfurarea experimentelor ........................ 924.3.4 Prelucrarea rezultatelor ....................................................................................... 964.3.5 Concluzii ........................................................................................................... 100

    4.4 ncercri experimentale ale sistemului de mbinare dintre elementele structurale din profile KB n vederea creterii capacitii portante ....................................................... 104

    4.4.1 Introducere ........................................................................................................ 104

  • 1.Introducere

    2

    4.4.2 Alctuirea nodurilor ........................................................................................ 1054.4.3 Aparatura i condiiile de ncercare ................................................................. 1094.4.4 Rezultatele ncercrilor experimentele .............................................................. 1104.4.5 Concluzii .......................................................................................................... 117

    CAPITOLUL 5 ............................................................................................ 1195. MODELAREA NUMERIC A MBINRILOR DINTRE PROFILELE CU PEREI SUBIRI FORMATE LA RECE ............... 119

    5.1 Introducere ............................................................................................................... 1195.2 Modelarea mbinrilor cu uruburi de nalt rezisten pretensionate la profilele cu perei subiri formate la rece .......................................................................................... 123

    5.2.1 Generaliti ........................................................................................................ 1235.2.2 Descrierea prototipului mbinrii i mijloacele de modelare ............................ 1245.2.3 Caracteristicile materialelor .............................................................................. 1255.2.4 Discretizarea elementelor i atribuirea ncrcrilor .......................................... 1275.2.5 Analiza elementelor studiu de caz ................................................................. 130

    5.3 Analiza numeric a mbinrilor de tip carcas la elementele structurale din profile cu perei subiri ................................................................................................................... 140

    5.3.1 Introducere ........................................................................................................ 1405.3.2 Descrierea prototipului mbinrii i a mijloacelor de modelare ........................ 1415.3.3 Analiza elementelor i interpretarea rezultatelor .............................................. 144

    5.4 Creterea capacitii portante la mbinrile cu uruburi dintre elementele structurale tip KB ............................................................................................................................. 1485.5 Concluzii .................................................................................................................. 151

    CAPITOLUL 6 ............................................................................................ 1536. STUDIU PARAMETRIC AL UNOR MBINRI DINTRE PROFILE CU PEREI SUBIRI FORMATE LA RECE ........................................ 153

    6.1 Introducere ............................................................................................................... 1536.2 Optimizarea mbinrilor prin modificarea lungimii de suprapunere dintre elementele mbinate i nodul din tabl ............................................................................................. 1536.3 Comportarea mbinrilor de tip carcas cu sau fr uruburi pe tlpi ..................... 1606.4 Noi mbinri avute n vedere .................................................................................... 164

    CAPITOLUL 7 ............................................................................................ 1697. CONCLUZII ............................................................................................ 169BIBLIOGRAFIE ......................................................................................... 175

  • 1.Introducere

    3

    CAPITOLUL 1 1. INTRODUCERE

    Noiunea de profil format la rece provine de la procesul de fabricaie al

    acestora, n sensul c profilele sunt formate din tabl la temperatura mediului

    ambiant prin unul din cele trei procedee binecunoscute (ndoire, presare sau

    laminare). Profilele sau tablele din oel formate la rece sunt fabricate din table plane

    laminate la cald sau la rece, cu sau fr protecie anticoroziv.

    Utilizarea profilelor cu perei subiri din oel formate la rece este tot mai

    des ntlnit n domeniul construciilor civile i industriale datorit avantajelor pe

    care le prezint. Dac n alctuirea elementelor secundare ale structurilor metalice

    (pane de acoperi, rigle de nchidere) profilele cu perei subiri sunt folosite n mod

    curent, n cazul unor elemente principale de rezisten (cadrul principal de rezisten)

    inginerii proiectani nc mai au reineri n a le folosi n principal datorit faptului c

    presupun un volum mare de calcul. ns sistemele structurale din profile cu perei

    subiri formate la rece sunt bine puse la punct i dezvoltate continuu de firmele ce

    i desfoar activitatea n acest domeniu. Odat cu dezvoltarea structurilor i

    stabilirea unor seciuni transversale eficiente pentru tipul de solicitare preponderent

    s-au dezvoltat i sistemele de mbinare ale acestora. Capacitate portant i

    mecanismul de cedare a structurilor realizate din profile cu perei subiri depinde n

    mare msur de comportamentul mbinrilor.

    Lucrare de fa i propune s contribuie la nelegerea modului de lucru a

    profilelor metalice uoare i s aduc un aport la cercetrile care ncearc s

    mbunteasc comportarea mbinrilor elementelor structurale din profile cu perei

    subiri n special a elementelor structurale ce alctuiesc cadrele de rezisten.

    Cteva dintre obiectivele lucrrii sunt :

    observarea modurilor de comportare i de cedare n funcie de tipul de

    ncrcare (rezisten i ductilitate),

    determinarea relaiilor dintre caracteristicile ce intr n calculul

    mbinrii (tipul oelului, modul de tratare a suprafeelor de contact, tipul seciunilor

  • 1.Introducere

    4

    care se mbin i grosimea tablei din care este realizat, numrul i diametrul

    uruburilor, poziionarea acestora n mbinare) i modul de cedare,

    compararea rezistenei ultime a mbinrii determinate experimental cu

    cea calculat dup normele i cu rezultatele obinute prin analiz cu ajutorul

    programelor de element finit. Conform EN 1993:1-3 pentru grosimi mai mari sau

    egale cu 3mm se recomand folosirea normei EN 1993:1-8 de calcul a mbinrilor.

    contribuii la dezvoltarea mbinrilor structurilor plecndu-se de la

    mbinrile tip carcas,

    raportarea capacitii portante a mbinrii la dimensiunile i

    caracteristicile nodului din tabl groas ce leag elementele principale,

    urmrirea pe cale analitic a comportrii acestor tipuri de mbinri,

    calibrate pe baza testelor desfurate,

    s-au putut trage noi concluzii ca urmare a testrii mbinrilor clasice

    ct i a noilor tipuri de mbinri.

    Lucrarea de fa se adreseaz att inginerilor constructori ct i studenilor

    preocupai de pe piaa din ara noastr. Aceasta este structurat n apte capitole

    fiecare din ele cuprinznd:

    Capitolul 1 este o scurt introducere n sfera profilelor cu perei subiri totodat

    stabilindu-se n acest capitol principalele obiective ale lucrrii.

    Capitolul 2 este o prezentare general a proprietilor profilelor cu perei subiri,

    insistndu-se pe acele caracteristici ce le fac a fi distincte de celelalte construcii

    metalice. Se face o prezentare a structurilor des ntlnite din profile cu perei subiri

    insistndu-se pe structurile de tip hal. Unul dintre avantajele majore ale profilelor

    cu perei subiri este faptul c forma seciunilor transversale este astfel nct bara s

    poat prelua n bune condiii eforturile ce i revin. n acest capitol sunt prezentate

    tipurile de seciuni transversale uzuale. Tot aici este prezentat un scurt istoric al

    acestor profile, metodele i mijloacele de fabricare i cteva aspecte legate de

    stabilitate.

    n Capitolul 3 sunt enumerate principalele concluzii ale unor cercettori din ar i

    strintate. O parte din concluziile cercetrilor obinute de-a lungul timpului au fost

    incluse n normele de proiectate, iar altele sunt n stadiul de aprofundare n vederea

    concretizrii lor prin aplicaii practice. Se face o analiz succint a caracteristicilor

  • 1.Introducere

    5

    de calcul i o prezentare a metodei componentelor, metod ce este recomandat i

    pentru calculul mbinrilor profilelor cu perei subiri.

    Capitolul 4 prezint rezultatele experimentale obinute n urma studiului

    mbinrilor dintre profilele cu perei subiri tip KB, realizate cu ajutorul nodurilor

    din tabl groas sudat, derulate n cadrul Catedrei de Mecanica Construciilor, a

    Facultii de Construcii i Instalaii din Iai. Se supun ateniei mbinri cu uruburi

    pretensionate urmrindu-se influena suprafeelor de contact asupra comportrii

    nodului, se propune un nou tip de mbinare fr uruburi pretensionate i se

    continu cu propunerea de mrire a capacitii portante la aceast mbinare prin

    adugarea unor noi elemente din oel la nivelul tlpilor.

    n Capitolul 5 sunt modelate cu ajutorul metodei elementului finit tipurile de

    mbinri avute n vedere n partea experimental i nu numai. Sunt urmrite cu

    atenie dezvoltarea tensiunilor i relaiile for-deplasare.

    Capitolul 6 urmrete un studiu parametric al acestor mbinri, plecndu-se de la

    cele descrise n partea experimental. S-au propus modificarea unor caracteristici

    precum: modificarea lungimii pe care profilul se suprapune cu nodul din tabl

    groas al mbinrii, poziionarea uruburilor n mbinare sau adugarea unor noi

    componente n nod.

    Capitolul 7 prezint rezultatele cercetrilor ntreprinse i evideniaz contribuiile

    aduse de autor n domeniul considerat.

  • 1.Introducere

    6

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    7

    CAPITOLUL 2 2. SCURT ISTORIC I ASPECTE CARACTERISTICE ALE BARELOR CU PEREI SUBIRI DIN OEL FORMATE LA RECE

    2.1 Scurt istoric i generaliti Utilizarea profilelor cu perei subiri n construcia de cldiri a nceput nc

    din a doua jumtate a secolului al XIX-lea n Marea Britanie i n Statele Unite

    (New-York, 1855). Cu toate acestea astfel de bare metalice au fost folosite frecvent

    abia ncepnd cu anii 1940. Dup anul 1946, n Statele Unite ale Americii utilizarea

    i dezvoltarea construciilor cu perei subiri din oel formate la rece a fost

    accelerat de redactarea numeroaselor ediii ale Specifications for the Design of

    Cold-Formed Steel Structural members aparinnd American Iron and Steel

    Institute (AISI)[1-5]. Primele ediii ale acestei norme au fost bazate n principal pe

    cercetrile sponsorizate de AISI ce au avut loc la Universitatea Cornwell sub

    conducerea lui George Winter nc din 1939. Ulterior acestea au fost revzute i

    reeditate pentru a reflecta progresele tehnologice i rezultatele cercetrii continue.

    Una din cele mai mari firme din S.U.A., firma Alside" avea n anul 1977

    capacitatea de producie de 76 000 t/an de profile de diferite forme, la care se

    realizau n flux i alte operaii ca: prelucrarea special a suprafeei nainte de acope-

    rire, acoperirea suprafeei cu un strat protector, perforarea orificiilor nainte de

    profilare, emailare electrostatic. De asemenea, la firmele Amchen Products Inc.",

    Crown" i altele se fabricau profile protejate cu acoperiri organice. Firma Inland

    Steel Products Company" executa linii de formare la rece, iar firmele Raften

    Machine Company", Kane and Roach" produceau utilaj pentru profilarea la rece.

    Firma Fensters Incorporated" executa profile pentru construcii cu limi de pn la

    800 mm. Firma Roll Formed Products Company" executa profiluri nchise,

    seminchise i deschise, dintre care unele ndoite la 180 acoperite cu mase

    plastice i suprafa finisat din band de 4,7 mm grosime, de limi pn la 400

    mm. Firma ,,Sections and Moulding Ltd" producea profile avnd configuraii

    complexe, din benzi de oel de diverse mrci, din cupru i aluminiu, acoperite cu

    materiale plastice sau zincate, avnd grosimi de la 0,25 mm la 4 mm i limi pn

    la 225 mm.

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    8

    n Anglia primele maini de profilat s-au construit n anul 1925, iar n cursul

    urmtorilor 10-12 de ani producia fiind organizat n uzine specializate. Mare parte

    din producia de profile formate la rece era destinat cerinelor n construcii. Gama

    sortimental era foarte larg; de exemplu, n uzinele firmei Darlington and

    Simpson Rolling Mills Ltd, n anul 1977 se produceau peste 300 tipuri profile din

    benzi de oel, aluminiu sau cupru, cu grosimi pn la 4,7 mm si limi pn la 425

    mm. De asemenea, n procesul tehnologic s-au introdus diferite operaii

    suplimentare, precum tivire, gurire, vopsire, emailare, zincare, cromare. Aceste

    profile se foloseau pentru confecionarea de stelaje, lzi, cadre de ferestre, troliuri

    suspendate i mobilier. Firma Metal Sections Ltd" n afar de aceste operaiuni a

    executat o fosfatare preliminar a suprafeei profilurilor, prin care s-a mrit

    rezistena la coroziune. Firma Ayrshire" executa profile pn la 6 mm grosime i

    limi de 200 -500 mm, din benzi de oel, cupru, aluminiu i alte metale, utilizate

    pentru vagoane de cale ferat, carcase de automobile, vase fluviale i maritime sau

    maini agricole.

    n Rusia, producia de profile formate la rece cunoscut nc din anul

    1838 a avut dup anii 1930 o mare dezvoltare. n uzinele industriei de

    automobile din Gorki i Moscova, n uzina de vagoane din Kalinin, la Combinatul

    metalurgic din Leningrad, la combinatul metalurgic Lenin" din Kuibev au fost

    instalate linii pentru formarea profilelor la rece din benzi din oel destinate

    diferitelor utilizri: construcii de rame, carcase i elemente decorative n industria

    de automobile, ferme de acoperi, rame de podele i de rigidizare pentru carcasele

    vagoanelor de cale ferat, scri de pompieri n construcii metalice, carcase pentru

    televizoare etc. Prima fabric de profile formate la rece din Rusia a nceput

    producia n anul 1959, la uzina Zaporojstali", iar profilele de tip U,L,Z,C s-au

    realizat dup norme GOST, cu o varietate mare de utilizri.

    n Frana producia de profile formate la rece a cptat o mare dezvoltare n

    special ntre anii 1956-1961. Uzina firmei Le Profil", care produce profile formate

    la rece, din jurul anului 1930 cuprindea 30 de instalaii de profilare, pe care se

    puteau produce mai mult de 2500 tipuri de seciuni, n grosimi de la 0,3 - 6 mm i

    limi de benzi de la 10-1300 mm. Firma ,,Profilfroid" executa profile din benzi de

    oel de 1- 6 mm grosime, cu o lime pn la 460 mm. Firma Sommenor" numit

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    9

    apoi D.M.S.", care a utilizat iniial licena american Yoder" producea instalaii

    pentru formarea de profile din benzi cu limi de maximum 1270 mm i grosimi

    maxime de 6 mm. Firma Vallourec" producea elemente cu grosimi de 0,2 - 5 mm

    i limi pn la 500 mm, utilizate n mai multe ramuri industriale precum i n

    construcii.

    n Germania firma Klokner" produce o gam larg de profile formate la

    rece pentru automobile, maini agricole, scri mobile, ferestre i ui metalice, scri

    fixe, aprtori de protecie, carcase portante etc. n anul 1977 Firma Wupperman"

    producea peste 3000 de tipodimensiuni, avnd grosimi de pn la 10 mm i limea

    benzii de pn la 1000 mm. Firma Dreistern" executa instalaii de profilare la rece

    pentru gama de profile cu limi cuprinse ntre 6-1800 mm. n Belgia firma

    Laminoires de l'Escaut", n acelai an 1977, fabrica profile din benzi cu grosimi de

    1,5 mm i limi de 150 mm.

    n Austria firma VoestAlpine" are de asemenea tradiie n fabricarea acestor

    tipuri de elemente structurale, n special pentru producerea de profile nchise. n

    Suedia firmele Sanvik" i Uddeholm" erau specializate n fabricarea de profile cu

    grosimi mici (0,23 mm) i limi de la 10 la 175 mm. n Japonia fabricarea

    acestor profile a cptat o larg dezvoltare, cunoscute fiind firmele: Fuji Iron and

    Steel Company Ltd. i Toyo-Menka".

    La noi n ar, la Iai, n anul 1966 intr n producie o linie de fabricaie

    pentru profile ndoite din tabl de oel n cadrul Uzinei Metalurgice din Iai.

    Profilele fabricate aici se executau dup norme interne preluate din normele ruseti

    GOST i se mpreau n dou mari categorii: de uz general (profile U, C, Z, Omega,

    profil ptrat sau dreptunghiular, profil curb, cornier, etc.) i profile speciale cu

    forme mai greu de obinut (profile tubulare, profile pentru autoutilitare i autobuze,

    profile pentru tmplrie de aluminiu). n prezent n majoritatea rilor industrializate

    exist productori i chiar trusturi de firme n acest domeniu. Printre furnizori de

    profile cu perei subiri de la noi din ar putem enumera: Lindab, Konti, Frisomat,

    ZETBuilding, Gold Profil etc.

    Elemente structurale din oel ce pot fi ntlnite n construciile metalice se

    mpart n dou categorii. Prima categorie este cea bine cunoscut a oelului laminat

    la cald i elemente constituite din tabl groas. Cea de-a doua categorie cu o mai

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    10

    mic rspndire, dar de o importan n cretere, este compus din seciuni formate

    la rece din tabl de oel, benzi metalice, plci sau bare late formate n maini

    speciale prin laminare, presare sau operaii de ndoire prin ncovoiere. Avantajul

    acestor profile formate la rece const n faptul c au o distribuie raional a

    materialului n seciunea transversal comparativ cu profilele laminate la cald,

    precum i posibilitatea realizrii unei game diversificate de produse de acest tip, ca

    i uurina de fabricare i montaj. Grosimea tablelor de oel i a benzilor folosite n

    general n construciile din profile subiri variaz de la 0,4 mm la aproximativ 6,5

    mm. Ca o excepie chiar i plcile sau barele de oel cu o grosime de 25 mm pot fi

    laminate cu succes la rece n laminatoare profilate.

    Cu toate c seciunile din oel formate la rece sunt folosite la: caroseriile de

    automobile, vagoanele de tren, industria aeronautic, diverse tipuri de echipament,

    rafturi de depozitare, mobilier, depozite de cereale, produse destinate autostrzilor,

    turnuri de comanda, stlpi de transmisie, facilitai de drenare i n construcia

    podurilor, studiile incluse n aceast lucrare se refer n special la aplicaii din

    construciile de cldiri. Pentru alte tipuri de structuri trebuie s se in cont mai atent

    de factori ca: efectele dinamice, oboseala, coroziunea etc.

    n construcii, profilele metalice cu perei subiri formate la rece se utilizeaz

    la alctuirea elementelor de rezisten i de nchidere ale cldirilor industriale (pane

    cu seciune plin sau cu zbrele, ferme, grinzi cu inim plin, cotravntuiri, perei,

    nvelitori, luminatoare). La alctuirea integral a cldirilor individuale de locuit i

    industriale profile de oel formate la rece sunt utilizate pe scar larg n Statele

    Unite, Australia, Canada, Japonia i ncep s fie din ce n ce mai apreciate i n

    rile Uniunii Europene. Sunt utilizate cu succes la acoperiuri spaiale sub form de

    reele, aibe, panouri sandwich, sisteme de membrane, la alctuirea elementelor de

    construcie mixte (alturi de profile laminate la cald, n conlucrarea cu betonul, cu

    materialele plastice i derivate din lemn), la realizarea barelor stlpilor de susinere

    ai liniilor electrice aeriene i a unor construcii metalice tip turn .a. Avndu-se n

    vedere deficitul de fond locativ din Romnia i datorit necesitilor de ordin tehnic

    suntem n situaia ca o mare parte a structurilor etajate din zonele urbane s fie

    mansardate. O soluie de luat n seam este cea a utilizrii profilelor cu perei subiri

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    11

    ns majoritatea inginerilor proiectani le evit, avndu-se n vedere c pun unele

    dificulti la efectuarea calculului.

    Informaii generale despre comportamentul i proiectarea mbinrilor

    structurilor metalice pot fi gsite ntr-un numr mare de texte de specialitate sau

    norme de proiectare ns utilizarea acestora n tot mai multe ramuri industriale face

    ca acest domeniul s fie unul tnr i cu noi provocri pentru specialitii n domeniu.

    n cuprinsul codurilor de proiectare ale construciilor din profile cu perei subiri

    sunt relativ puine informaii despre proiectarea mbinrilor recomandndu-se n

    general proiectarea pe baz de experiment.

    n raport cu profilele laminate la cald sau executate din alte materiale de

    construcii profilele formate la rece au urmtoarele avantaje:

    1. Pot fi produse n mod economic seciuni cu forme deosebite i mai

    puin uzuale prin operaiuni de formare la rece i n consecin poate fi obinut un

    raport bun rezisten-greutate. Rezult c la profilele formate la rece momentele de

    inerie i modulele de rezisten sunt mai mari de 1,5 2 ori, iar razele de giraie de

    1,5 1,6 ori dect la profilele laminate la cald. Din aceleai calcule a rezultat c

    utilizarea de profile formate la rece conduce la o economie de metal de 10 75%,

    respectiv n medie de 25%. n figura 2.1 este prezentat o comparaie ntre dou

    seciuni de greuti apropiate, una compus din dou profile subiri (2xKB 450-

    3,5mm) folosite uzual la structurile uoare, i cea de-a doua laminat la cald profil

    tip european IPE270.

    Profile subiri IPE270

    a) Seciunea transversal a celor dou tipuri de profile

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    12

    21.02

    2KB450-3,5 Iy= 12.512

    IPE270 Iy= 5.79

    2KB450-3,5 Wy= 5,56IPE270 Wy= 4.29

    IPE270 iy= 11.2

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    cm4x1000 cm3x100 cm

    b) Comparaie ntre proprietile mecanice ale seciunilor

    Fig. 2.1 Seciune din profile cu perei subiri (2KB450) i seciune laminat (IPE270)

    2. Profilele subiri pot fi fabricate mult mai uor. Procesul tehnologic de

    profilare poate fi asociat n linie continu cu alte procese de prelucrare (sudur

    automat longitudinal continu sau prin puncte, tiviri i neteziri ale muchiilor,

    liuire, perforri, guriri la capete, tanri, marcri, curbri ale profilului finit etc.).

    Asocierea procesului tehnologic cu alte procese tehnologice are ca urmare creterea

    productivitii i micorarea consumului de materiale auxiliare, de energie i de

    mn de lucru. Un alt aspect interesant este acela c dou sau mai multe materiale

    pot fi formate n acelai timp n linia de profilare direct, rezultnd un singur produs;

    lemn, frnghie, psl, bare de metal, srm sau evi pot fi ncorporate ntr-un canal

    rotund sau unghiular format prin profilare. Fabricarea ghidajelor ferestrelor de

    automobil prin rolarea benzii n jurul garniturii de etanare din psl este un

    exemplu tipic de folosire a acestui procedeu. Un alt exemplu este combinaia de

    pnz i band zincat pentru a forma un cuplaj elastic izolator la conductele de aer

    condiionat. Se are n vedere i faptul c prin profilare se pot obine piese din metal

    asociate, astfel nct o band de o calitate s nconjoare poriuni din benzi de alt

    calitate, obinndu-se seciuni cu dou sau mai multe proprieti dup necesitate,

    cum ar fi: rezisten nalt la coroziune cu elasticitate mare sau un finisaj superior

    pe o parte i rezisten, elasticitate sau alte proprieti pe cealalt parte. Pot rezulta

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    13

    astfel importante economii, comparativ cu executarea aceluiai profil dintr-o

    singur band de calitate superioar. Profilele formate la rece dintr-o band subire

    de oel inoxidabil (0,2 0,075 mm) la suprafa i o garnitur din band zincat de

    oel carbon (0,6 0,2 mm grosime) sunt frecvent utilizate la ornamentarea

    automobilelor.

    3. Seciunile pot fi produse astfel nct s permit o mpachetare i un

    transport compact (fig. 2.2). Faptul c profilele formate la rece au grosimi de perei

    uniforme uureaz operaiunile tehnologice la montajul construciilor i scad

    cheltuielile de manoper, spre deosebire de profilele laminate la cald care sunt mai

    groase la unghiuri i mai subiri la margini, lucru care complic operaiile de montaj

    i uzinare. Astfel, la asamblarea unor profile formate la rece este posibil

    interschimbabilitatea lor i folosirea la asamblare a clemelor i a altor elemente de

    reglare mobile, ceea ce conduce la obinerea unor ansambluri mai omogene dect

    cele ce se pot realiza cu profile laminate la cald. n acelai timp se asigur tolerane

    dimensionale foarte strnse, toleranele profilelor depinznd numai de tolerana

    materialului din care au fost realizate.

    Fig. 2.2 mpachetarea profilelor cu perei subiri n vederea depozitrii

    sau transportului[50].

    4. Panourile i platformele portante pot fi folosite la obinerea de

    suprafee pentru construcia planeelor, acoperiurilor i pereilor, iar n alte cazuri

    ele pot de asemenea furniza celule nchise sau deschise pentru instalaiile electrice

    (pat de cabluri) i altele;

    5. Panourile i platformele portante au att o capacitate portant

    corespunztoare la ncrcri verticale, ct i o comportare de diafragm rigid prin

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    14

    preluarea forelor din planul propriu dac interconectarea lor este fcut n mod

    adecvat [57];

    6. Uurin n prefabricare(fig. 2.3) i producie n mas;

    Fig. 2.3 arpant prefabricat[50]

    7. Se mai pot enumera pe scurt urmtoarele avantaje: calitate uniform,

    eliminarea substanial a ntrzierilor cauzate de procesele tehnologice,

    neinflamabile, n totalitate reciclabile.

    Avnd n vedere dinamica sectorului construciilor se poate lua n calcul o

    lips a oelului pe pia mondial, astfel nct combinarea avantajelor mai sus

    menionate pot avea ca rezultat reducerea consumului cu 15-25% i deci n

    consecin a costului construciilor.

    2.2 Cldiri civile i industriale standardizate Construciile metalice standardizate cu unul sau dou niveluri sunt frecvent

    utilizate n aplicaii industriale, comerciale sau agricole. De asemenea aceste

    sisteme sunt utilizate pentru construcii de utilitate public precum cldiri de

    recreere, coli, clinici sau biserici. Alegerea lor a fost posibil deoarece acest tip de

    construcii ntrunete urmtoarele avantaje:

    1. aspect atractiv,

    2. viteza mai mare de execuie,

    3. uurin n ntreinere,

    4. uurin de extindere,

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    15

    5. costuri pe termen lung reduse.

    n general, cldirile de dimensiuni reduse pot fi realizate n ntregime din

    profile subiri; n schimb cele relativ nalte sunt construite din cadre rigide, (oel

    laminat la cald, beton armat) ce pot avea incursiuni n domeniul plastic n timpul

    aciunilor severe iar elementele secundare(pane de acoperi sau rigle de perete) din

    profile subiri.

    n America de Nord proiectele standardizate pentru cldirile cu structur

    metalic din profile cu perei subiri se bazeaz n mod frecvent pe cataloage de

    producie printre care amintim: manualul Low Rise Building Systems emis de Metal

    Building Manufacturers Association sau Low-Rise Residential Construction editat

    de North American Steel Framing Allinace. Aceste documente conine tehnici de

    proiectare, comentarii, exemple de proiectare, tehnici industriale comune,

    specificaii orientative, bibliografie, glosare i anexe. n Canada proiectarea,

    fabricarea i executarea cldirilor metalice sunt bazate pe un model standard

    elaborat de Canadian Sheet Steel Building Institute.

    n literatura de specialitate sunt cunoscute trei metode de execuie a

    cldirilor cu structur metalic din bare cu perei subiri:

    - metoda bar cu bar; barele sunt aduse pe antier ca elemente individuale

    apoi montate la faa locului,

    - construcii din panouri,

    - metoda pe platform; planeul etajului respectiv devine platform de

    montaj pentru nivelul urmtor.

    Cldirile industrializate pot fi subdivizate n (1) sisteme constituite din

    panouri i (2) sisteme modulare. n cazul sistemelor constituite din panouri

    elementele de perei, de planee i de acoperiuri sunt prefabricate ntr-un sistem de

    producie, transportate pe terenul de construcie i asamblate pe loc(fig. 2.4). n

    cazul sistemelor modulare, segmentele tridimensionale sunt realizate n fabrici,

    transportate pe terenul de construcie , ridicate n locul dorit i asamblate(fig. 2.3).

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    16

    Fig. 2.4 Perete prefabricat montat pe antier [50]

    n anii 60 sub conducerea School Construction Systems Development

    Project din California, au fost dezvoltate patru sisteme modulare n construcia de

    coli de ctre Inland Steel Products Company, Macomber Incorporated (sistem

    modular V-lok) i Rheem/Dudley Buildings(sistem spaial flexibil). Aceste sisteme

    s-au dovedit a fi structuri eficiente realizate cu costuri mici. Ele sunt folosite cu

    succes att n construcia de coli, ct i n construcia cldirilor cu scop industrial

    sau comercial de pe teritoriul Statelor Unite[57]. n 1970 Republic Steel

    Corporation a fost desemnat de ctre Department of Housing and Urban

    Development s dezvolte un sistem modulat pentru locuine. n acest sistem au fost

    folosite panouri cu fee metalice cu nucleu termoizolant(panou sandwich).

    La noi n ar construciile modulate din profile cu perei subiri se pot

    considera a fi la nceput. Productorii vin cu nouti pe piaa construciilor i n

    acelai timp cu un pre de luat n seam comparativ cu alte tipuri de structuri. O

    contribuie remarcabil n sensul adaptrii soluiilor occidentale(zone neseismice) la

    ara noastr a fost adus de ctre L.A. Fulop sub ndrumarea prof. univ.dr.ing. Dan

    Dubin. Sunt prezentate avantajele modulrii i principalele particulariti de calcul

    structural legate de aceste tipuri de structuri[27]. n cazul caselor cu structur

    metalic din profile cu perei subiri componenta de baz este panoul de perete care

    este dimensionat pentru a prelua i transmite att ncrcri verticale ct i pe cele

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    17

    orizontale provenite din aciunea vntului, respectiv seismului. S-a realizat un

    program experimental pentru studiul att a mbinrilor utilizate la realizarea

    panourilor de perete ct i a acestora n ansamblu, n diferite variante de nchideri

    cu tabl sau cu OSB. ncercrile pe panouri au evideniat faptul c principala surs

    de deformabilitate a sistemului structural o reprezint mbinrile(care n general

    sunt cu uruburi autofiletante/autoperforante).

    Cercetrile n domeniul construciilor metalice uoare includ de asemenea

    i sisteme structurale din cabine autoportante. Acestea sunt proiectate s fie

    prefabricate dup dimensiunea unei camere complet mobilate i combinate n aa

    fel nct s formeze un hotel, un spital, un apartament sau o cldire de birouri.

    Pentru cldirile cu mai multe niveluri, aceste cabine pot fi susinute de un schelet

    principal fcut din profile laminate la cald.

    n trecut profilele cu perei subiri au fost folosite frecvent n construcia

    cldirilor de nlime redus sau pentru cldirile metalice rezideniale. Activitile

    de cercetare conduse n mod continuu de organizaiile i companiile din industria

    oelului au lrgit aria de aplicare a acestora. Pe lng studiul capacitii portante a

    componentelor structurale, cercetrile recente s-au concentrat i asupra urmtoarelor

    aspecte:

    (1) metodelor de calcul comune tuturor tipurilor de profile cu perei subiri,

    (2) performanele termice i acustice ale panourilor de perei i a sistemelor de

    planee i acoperiuri,

    (3) rspunsului dinamic al structurilor,

    (4) panourilor pentru perei de fundaie,

    (5) stlpilor,

    (6) consideraiilor de energie.

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    18

    2.3 Tipuri de profile cu perei subiri formate la rece

    Elementele structurale formate la rece pot fi clasificate n dou mari clase:

    a) Elemente liniare(grinzi, bare, cadre etc.),

    b) Panouri i platforme.

    a) Elemente liniare

    n fig. 2.5 sunt prezentate cteva tipuri de seciuni utilizate n general la

    structuri. Dup cum se poate observa acestea pot fi cu seciunea simpl sau

    compus, nchis sau deschis. n cazul celor compuse ele pot fi aezate spate n

    spate dar i fa n fa i se pot solidariza prin puncte de sudur sau cu ajutorul

    uruburilor i fururilor. Seciunile pot avea rigidizri pe inim sau pe tlpi sub

    form de cute sau pliuri, caneluri ascuite sau curbe, corniere prinse cu uruburi.

    Tlpile pot avea rigidizri intermediare sau marginale sub form de reborduri

    simple sau duble.

    Formele seciunilor transversale se aleg astfel nct s asigure stabilitatea

    local i general, s satisfac necesitile la montare, s se obin perei

    rigidizai(Fig. 2.5) i s rspund solicitrilor la care este supus elementul structural.

    n acelai timp prezena prea multor rigidizri pe un perete presupune unele

    dificulti la procesul de formare i la montaj. Spre exemplu, comparativ cu

    profilele C, studiile arat c seciunile Z i au avantajul unei rezistene ultime i a

    rigiditii la torsiune mai ridicate, pentru aceeai greutate. Cele mai uzuale sunt

    profilele C , profilele n form de Z, I, T i elementele tubulare. Din elementele

    liniare se pot obine grinzi cu seciunea compus sau grinzi cu zbrele.

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    19

    Fig. 2.5 Seciuni transversale.

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    20

    Fig. 2.6 Grinzi cu zbrele[50]

    n general, nlimea elementelor individuale formate la rece variaz de

    la 50-350 mm, iar grosimea tablei variaz ntre 1 i 8 mm. n unele cazuri nlimea

    elementelor individuale poate atinge 600 mm, iar grosimea 13 mm. Sunt situaii

    cnd grosimile ajung la valori mari n domeniul transporturilor i al construciilor de

    cldiri. Seciunile cu profile subiri cu grosimi de 19 sau 25 mm au fost folosite la

    structuri metalice sub form de plci la turnuri de transmisie i n structurile de

    semnalizare de pe autostrzi. Acest tip de elemente sunt utilizate cu precdere la

    alctuirea de cadre plane sau spaiale, crora le confer o capacitate portant bun,

    rezisten, stabilitate i grad de rigiditate ridicat fiind satisfcute aspectele cele mai

    importante n proiectare. Astfel de seciuni pot fi folosite ca elemente de cadru

    principale n cldiri cu pn la 5 etaje nlime. Pentru cldirile nalte cu mai multe

    niveluri, cadrul principal este realizat n mod curent din elemente laminate la cald,

    iar elementele secundare sunt executate din profile formate la rece, cum ar fi barele

    metalice, platformele sau panourile(fig. 2.7). n acest caz, structurile laminate la

    cald i profilele subiri formate la rece se completeaz reciproc.

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    21

    Fig. 2.7 Structura planeelor compozite prefabricate folosite la World Trade Center

    b) Panouri i platforme

    Cea de-a doua categorie de seciuni formate la rece este a elementelor plane,

    care sunt n general folosite pentru acoperiuri, planee, panouri de perete i

    schelete pentru poduri. nlimea panourilor variaz n general de la 35 la 190 mm,

    iar grosimea tablei variaz ntre 0,5 i 2,0 mm. De asemenea se folosesc i panouri

    de tabl striat cu grosimi variabile la construcia acoperiurilor i a pereilor.

    Panourile metalice i platformele nu asigur doar rezistena structural pentru

    ncrcri verticale, ci i o suprafa pe care pot fi aplicate platelaje, acoperiuri sau

    s fie utilizate drept cofraje pentru beton. Acestea furnizeaz i spaii pentru

    conductele electrice(fig. 2.8), sau pot fi perforate i combinate cu materiale pentru

    izolaie fonic cu scopul de a forma un plafon acustic.

    Fig. 2.8 Structura de rezisten pentru planee utilizate de ctre Steel Framing

    Aliance[50]

    Panourile metalice pentru acoperiuri sunt utilizate cu succes n realizarea

    de nchideri din table cutate i paraboloizi hiperbolici. Cea mai mare structur

    Beton Cofraj pierdut

    Grinda cu zbrele

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    22

    metalic din lume n care au fost folosite platforme metalice tip paraboloid

    hiperbolic, proiectat de Lev Zetlin Associates este un hangar pentru avioane. n

    multe cazuri, panourile pentru acoperiuri sunt curbate pentru a se adapta formei

    arcuite a structurii fr prea mare dificultate. Unele panouri de acest fel sunt

    transportate sub forma de seciuni drepte i curbate la punctul de lucru pentru a lua

    forma acoperiurilor arcuite.

    nlimea striurilor sau cutelor variaz de obicei de la 32-80 mm, iar limea

    de la 6,.4-25 mm. Grosimea tablelor ondulate sau cutelor variaz ntre 0,3- 4,5mm.

    Cu toate acestea se ntlnesc i cute cu o nlime mai mare de 150 mm i o lime

    de peste 50mm.

    2.4 Tehnici de fabricare i efectele acestora asupra seciunii Procedeele de fabricare ale profilelor cu perei subiri sunt:

    - laminare utiliznd presa cu role sau laminorul,

    - ndoire,

    - presare(prese Abkant).

    Oricare din aceste trei metode se execut la rece, adic la temperatura

    mediului ambiant. Fasonarea n serie mic a profilelor cu perei subiri se face, n

    general, cu ajutorul preselor de ndoit cu putere mare de presare (40000-250000

    daN), ndoirea profilului fcndu-se prin presarea sa n matri. Cu acestea se pot

    executa profile din tabl cu grosimi pn la 16 mm i lungime de 6 m. Presarea la

    rece permite producerea unei mari varieti de forme secionale, comparativ cu

    ndoirea, ns este avantajoas doar dac se produc cantiti mari de profile de

    acelai fel. n figura de mai jos sunt prezentate etapele laminrii la rece.

    Fig. 2.9 Etapele laminrii la rece printr-un proces continuu

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    23

    n acelai timp, prin formarea la rece se produc modificri ale

    caracteristicilor materialului prin dezvoltarea de zone plastice pentru ca foile de

    tabl s capete forma profilelor dorite. Astfel apare ecruisajul oelului i modificri

    ale strii de tensiune iniiale n materialul din care este alctuit profilul. Aceste

    modificri ale strii de tensiune iniiale(tensiuni remanente) nu sunt uniforme pe

    toat seciunea, avndu-se n vedere c doar colurile suport creteri importante ale

    limitei de curgere. Diferene sunt i n funcie de procedeul de formare la rece, astfel

    dac n cazul ndoiri la rece exist o modificare insesizabil a limitei de curgere n

    zona tlpilor i a inimii, n cazul laminrii exist o cretere semnificativ. Efectele

    formrii la rece asupra proprietilor mecanice ale seciunii depind de:

    - tipul oelului,

    - tipul tensiunilor care apar (compresiune sau ntindere),

    - direcia tensiunilor raportate la direcia de ndoire(transversal sau

    longitudinal),

    - de raportul fu/fy,

    - de raportul dintre raza de curbur i grosimea tablei (R/t),

    - de unghiul de ndoire.

    95mm

    Tens

    iune

    a [N

    /mm

    ]

    f yb

    f ub

    2

    Fig. 2.10 Efectul formrii la rece asupra unei rigidizri intermediare.

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    24

    2.5 Conceptul de lime eficace. Proiectarea grinzilor i a stlpilor ce alctuiesc un sistem structural const n

    verificarea rezistenei elementelor i a rezistenei seciunilor. Rezistena elementelor

    const n rezistena seciunilor de pe toat lungimea i include comportarea

    caracteristic la flambaj local, la flambaj distorsional, ncovoiere, flambaj torsional,

    ncovoiere-rsucire i modurile ce apar prin cuplarea acestora. ns, pentru a se ine

    cont de flambajul local, la verificarea rezistenei seciunii profilelor subiri aria

    brut nu se poate lua n totalitate n calcul. Este tiut faptul c plcile subiri

    prezint probleme locale de stabilitate.

    a)bar subire comprimat b)flambaj local

    Fig. 2.11 Bar subire comprimat

    Dac spre exemplu, considerm o plac dreptunghiular rezemat pe cele

    patru laturi i ncrcat cu o for P, valoare critic a acesteia Pcr poate fi

    determinat prin scrierea ecuaiei de echilibru. Ecuaia diferenial pentru poziia de

    echilibru a fost determinat de Bryan(1891) bazndu-se pe teoria deformaiilor

    mici[52].

    2

    2

    4

    4

    22

    4

    4

    4

    2dz

    udPdy

    uddzdyud

    dzudbD cr=

    ++

    Gsirea soluiilor acestei ecuaii presupune rezolvarea problemei, ns n practica

    curent acest lucru este greoi. Din acest motiv a fost introdus noiunea de lime

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    25

    eficace de ctre von Karman(1932)[52]. Aceasta elimin din calcul zona n care

    rigiditatea plcii este nesemnificativ, lund n considerare doar zonele active.

    a) perete rigidizat la ambele capete b)perete rigidizat la un capt

    Fig. 2.12 Distribuia efectiv a tensiunilor

    Fig. 2.13 Evoluia strii de tensiune ntr-un perete comprimat

    Limea be are valoare astfel nct aria dreptunghiului determinat s fie egal cu aria

    descris de curba real a distribuiilor de tensiune. Se tie c:

    be=b avnd

    =

    =

    1fy

    cr , iar - este zvelteea redus de plac.

    Astfel n funcie de modul de rezemare al peretelui seciunii i tipul de

    solicitare, ia valori diferite care pot fi gsite n normele de proiectare. n multe

    cazuri productorii de profile cu perei subiri vin n ntmpinarea inginerilor

    proiectani avnd tabele unde pe lng caracteristicile seciunii brute sunt i cele ale

    seciunii eficace.

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    26

    2.6 Stabilitatea barelor cu perei subiri Aa cum s-a artat mai sus n comparaie cu elementele laminate la cald, la

    profilele i panourile formate la rece cu pereii subiri raportul dintre lime i

    grosime avnd valori relativ mari, i pot pierde stabilitatea prin voalare la eforturi

    unitare sub de limita de curgere a oelului.

    Stabilitatea barelor din profile cu perei subiri supuse la compresiune trebuie

    abordat admind voalarea elementelor componente ale seciunii, fr pierderea

    capacitii portante a barei n ansamblu. Studiul clasic al fenomenului de

    instabilitate al unei bare comprimate consider o bar ideal, acea bar alctuit din

    material omogen, cu axe perfect rectilinii i aplicarea centric a ncrcrii. n

    realitate aceste ipoteze nu pot fi respectate. Bara prezint o deformare iniial

    cauzat de toleranele de execuie (nefiind absolut rectilinie, ncrcrile sunt aplicate

    cu o anumit excentricitate) i tensiuni reziduale datorate formrii la rece.

    Totalitatea acestor imperfeciuni provoac eforturi suplimentare n bar.

    La solicitarea barei, curba ncrcare-deformaie care ncepe cu o anumit

    valoare iniial se deprteaz apoi de la dreapta corespunztoare comportamentului

    elastic al barei. Deformaia total devine excesiv i se atinge rezistena ultim a

    barei la flambaj Nu. Rezistena ultim la flambaj este totdeauna inferioar ncrcrii

    critice de flambaj Ncr . Comportarea la compresiune a barelor cu perei subiri

    depinde de lungimea elementului i de modul de rezemare, de altfel ca la orice

    element comprimat.

    Deformarea profilelor cu perei subiri are loc prin: (a)distorsiune, (b)deviere

    local, (c) distorsiune cu deviere local-cuplarea celor dou moduri anterioare (fig.

    2.14).

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    27

    Fig. 2.14 Deformarea profilelor n cazul pierderii stabilitii seciunii transversale[6]

    Pierderea stabilitii generale a barelor comprimate centric alctuite din

    profile cu perei subiri se poate produce prin:

    ncovoiere(flambaj plan), caz n care seciunile barei se deplaseaz din

    poziia lor iniial prin translaie fr rsucire. Se produce la profilele la care

    centrul de rsucire coincide cu centrul de greutate (fig. 2.15 a).

    rsucire(flambaj spaial), caz n care seciunile barei se rotesc unele fa

    de altele. Se produce cnd rigiditatea la torsiune a barei este mai redus dect

    rigiditatea la ncovoiere (fig. 2.15 b,c).

    ncovoiere-rsucire, caz ntlnit la seciunile cu o ax de simetrie la care

    rigiditatea la ncovoiere n raport cu axa de simetrie este apropiat ca mrime de

    rigiditatea la ncovoiere n raport cu axa perpendicular pe axa de simetrie (fig.

    2.15 d,e).[6]

    a) flambaj prin ncovoiere; b, c) flambaj prin rsucire; d,e) flambaj prin ncovoiere

    rsucire

    Fig. 2.15 Pierderea stabilitii barelor din profile cu perei subiri [C. Dalban i 6]

  • 2.Scurt istoric i aspecte caracteristice

    28

    Mai jos sunt artate cteva forme simple de flambaj ce pot aprea la o

    bar comprimat cu seciunea tip KB. Rezultatele au fost obinute cu ajutorul

    analizei de stabilitate cu un program avansat de calcul cu element finit.

    a)local b)distorsional c) ncovoiere d)torsiune

    Fig.2.16 Moduri de flambaj ale unui profil KB solicitat la compresiune

    Fenomene ca formarea mecanismului plastic local sau interaciunea ntre

    modurile de flambaj n special ntre cel local i cel distorsional(numit local-

    distorsional) au fost studiate n detaliu de ctre D.Dubin i Ungureanu(2000)[17].

    2.7 Concluzii n prima parte s-a fcut o prezentarea a evoluiei profilelor subiri n

    domeniul construciilor civile i industriale. Au fost prezentate avantajele care le au

    aceste profile n raport cu alte materiale tradiionale. S-a remarcat avantajul acestora

    prin greutatea redus i prin varietatea de seciunii transversale ce pot fi formate.

    Particularitile de calcul pe care le au aceste profile cu perei subiri formate la rece

    au condus la delimitarea lor de cele laminate la cald. Pentru a nelege modul de

    comportare i concepia mbinrilor este necesar cunoaterea n detaliu a

    elementelor.

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    29

    CAPITOLUL 3 3. CARACTERISTICI ALE MBINRILOR CU URUBURI LA PROFILELE DIN OEL FORMATE LA RECE.

    3.1 Introducere Informaii despre comportamentul mbinrilor structurilor metalice din

    profile cu perei subiri pot fi regsite ntr-un numr mare de texte de specialitate,

    att n ar ct i n strintate. ns n cuprinsul codurilor de proiectare sunt relativ

    puine date despre proiectarea mbinrilor profilelor cu perei subiri i mai ales a

    mbinrilor realizate cu noduri din tabl groas.

    O serie de articole cu contribuii semnificative n domeniul mbinrilor

    profilelor din oel formate la rece au fost publicate n conferinele internaionale

    The International Speciality Conference on Cold-Formed Steel Structures. Aceste

    conferine i aduc contribuia la cercetrile n domeniu, ncepnd din 1971 i pn

    n prezent. Preocuparea n actualitate a cercetrilor din domeniul profilelor formate

    la rece se poate observa i din faptul c o mare parte din articolele prezentate la

    conferinele i colocviile din ar i strintate care au ca tem construciile metalice

    sunt din aceast arie de cercetare (de exemplu Colocviul Internaional Stability and

    Ductility of Steel Structures Lisabona, 06-08 septembrie 2006 .a.).

    Studiul mbinrilor s-a dezvoltat n mai multe direcii. De exemplu primele

    ncercri pe grinzi cu seciunea din profil U format la rece ale lui Baigent i

    Hancock(1982) foloseau mbinri care se bazau pe dezvoltarea de rezistene mari la

    frecare[30,32]. Modurile clasice de lucru ale lui Zadanfarrokh i Bryan(1992) se

    refereau la rigiditatea mbinrii prin suprapunere care lucreaz la forfecare pentru

    care nclinarea uruburile reprezenta principala problem[58]. Cercetrile realizate

    de Davies i colaboratorii si (1997) acoper problema mbinrilor pentru care fora

    de frecare dintre elemente era semnificativ, n timp ce cercettorii belgieni Fan i

    colaboratorii(1997) prin detaliere cu simulri numerice au fcut referire la

    poziionarea elementelor mbinate[25,26]. Acetia din urm au propus formule de

    calcul analitic att pentru determinarea capacitii portante ct i a rigiditii

    mbinrilor la forfecare. Rigiditatea mbinrilor influeneaz puternic comportarea

    unei structuri, determinarea ei este la fel de important ca i determinarea capacitii

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    30

    portante. Acest lucru nu este ns simplu n cazul mbinrilor cu uruburi, i au fost

    puine ncercri de a determina formule analitice sau semi-empirice pentru calculul

    ei. Au existat ncercri (Fan, 1996) de determinare a curbei caracteristice pentru

    mbinri cu uruburi autofiletante prin modelare cu element finit, ncercri care au

    avut succes limitat. Rezultatele au fost satisfctoare pentru mbinri tabl subire-

    tabl groas, dar total nesatisfctoare pentru mbinri tabl subire-tabl subire,

    mai ales n privina rigiditii [25,26,27].

    n domeniul calcului automat al elementelor din profile cu perei subiri

    profesorul Ben Schafer mpreun cu grupul de cercettori de la Universitatea Johns

    Hopkins, au dezvoltat ncepnd din 1997 pn n prezent programul CUFSM (n

    prezent versiunea CUFSM 3.12)[48], program ce are i versiune sub Matlab, fiind

    posibil introducerea de subrutine i astfel posibilitatea de dezvoltare a programului

    n funcie de cerine. O noutate prezentat de acetia este utilizarea metodei fiilor

    pentru determinarea modurilor de flambaj n cazul barelor cu perei subiri.

    Numeroi cercettori au ncercat stabilirea unor reguli de proiectare a

    mbinrilor cu uruburi la elementele din profile formate la rece cu ajutorul metodei

    elementului finit printre care amintim lucrrile lui K.F. Chung[11,12,13]. Acesta a

    realizat un model 3D pentru studiul performanei structurale a mbinrilor cu

    uruburi ntre profile formate la rece i table laminate la cald supuse la forfecare

    static prin metoda elementului finit. S-a urmrit comportarea neliniar a

    materialului, ct i a geometriei i a analizei contactului pentru a se putea determina

    curba ncrcare-deplasare a unei mbinri tipice cu uruburi a unor table din profile

    formate la rece cu tensiunea de curgere ridicat i ductilitate redus. Modul de

    cedare este acela de rupere a tablelor din profile formate la rece n jurul gurilor-

    ruperea n seciunea net. n construcii, profilele laminate la cald sunt folosite ca

    elemente structurale primare, pe cnd seciunile din profile formate la rece sunt de

    obicei utilizate ca elemente secundare pentru realizarea nchiderilor, ceea ce

    determin o conlucrare ntre cele dou tipuri de structuri.

    Testele experimentale fcute de Miquel Casafont i alii[41,42] au

    urmrit comportarea la seism a mbinrilor la elementele de contravntuire

    (solicitri de ntindere sau compresiune). Rezultatele obinute au condus la

    distingerea a dou tipuri de mbinri n funcie de modul de cedare: 1.nclinarea

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    31

    uruburilor i smulgerea lor din mbinare; 2.nclinarea uruburilor i ruperea

    seciunii nete a elementelor mbinate, moduri care au ductiliti diferite, artndu-se

    c cel de-al doilea mod de rupere este mai ductil ca primul n sensul c are

    deformaii mai mari pn la rupere. Astfel pentru un oel S250, dac pentru primul

    mod de rupere valoare raportului du/dy(alungirea la rupere/alungirea la curgere) nu

    depete valoare 10, pentru cel de al doilea mod, valoarea aceluiai raport poate

    ajunge pn la 20, n funcie de caracteristicile mbinrii. Mai recente sunt

    investigaiile numerice n legtur cu deformaiile caracteristice ale mbinrilor ntre

    profilele formate la rece din oel C, de ctre Lim si Nertchot i separat de ctre

    Chung i colaboratorii si[11,12,13,36,37,38].

    n ultimii 30 de ani multe dintre lucrri i-au ndreptat atenia asupra

    efectului legturii semi-rigide asupra ntregului comportament al structurilor din

    oel laminate la cald. Astfel se ntlnesc destul de rar reguli de proiectare la

    folosirea mbinrilor semi-rigide la construciile din oel formate la rece. Cum

    elementele, deci implicit structurile formate la rece tind s devin zvelte n

    comparaie cu structurile din oel laminat la cald este de ateptat ca deformaiile la

    cele formate la rece sa fie adesea importante. Astfel orice efect de neliniaritate ce

    aduce materialul la curgere i dezvolt momente secundare n deformarea

    structurl i local, trebuie s fie cu totul ncorporate n obinerea performanei

    structurale ale profilelor formate la rece. Este de ateptat ca studiile s fie extinse

    asupra legturilor semi-rigide de la structurile laminate la cald, la structurile formate

    la rece. La noi n ar studii asupra comportrii semirigide a mbinrilor profilelor

    cu perei subiri au fost fcute de Z. Nagy .a.[18,43].

    O serie de ncercri pe mbinri realizate cu ajutorul uruburilor

    autofiletante-autoperforante au fost fcute de L.A. Flp [27] n cadrul laboratorului

    Universitii Politehnice din Timioara. Specimenele au fost alese n aa fel nct s

    acopere o gam de tipologii de mbinri utilizate la montajul panourilor de perete la

    casele realizate din profile cu perei subiri. Modurile de cedare tipice pentru

    mbinri cu uruburi autofiletante sunt: 1) cedarea prin forfecare a urubului

    (fragil); 2) nclinarea urubului i smulgerea lui din foaia de jos (ductil); 3)

    smulgerea capului urubului prin foaia superioar (ductil); 4) cedarea din presiune

    pe gaur a foii mai subiri (ductil); 5) smulgerea marginii foii (fragil); 6) cedarea n

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    32

    aria net a foii conectate(fragil). Comparaia rezultatelor experimentale i a celor de

    calcul sunt satisfctoare n termeni de capacitate portant ns total

    nesatisfctoare cu privire la valorile rigiditii mbinrii. Ovalizarea gurii

    urubului este definit ca termenul utilizat s descrie deformaiile gurii urubului

    datorate presiunii pe gaur. Factorii principali de care depind caracteristicile

    ncrcare-alungire a orificiului urubului sunt:

    1. grosimea profilului,

    2.diametrul gurii urubului,

    3. proprietile materialului din care profilul este realizat,

    4.diametrul urubului,

    5.proprietile materialului din care este fcut urubul,

    6. dac tija urubului este sau nu filetat.

    Studii concrete ale unora dintre aceti cercettori pe tema subiectului

    lucrrii sunt prezentate n capitolul 3.5 astfel ncercndu-se prin aceast trecere n

    revist aducerea n prim plan a importanei de nelegere a modului de comportare a

    mbinrilor cu uruburi la profilele formate la rece, ce vor fi tratate n capitolele care

    urmeaz.

    3.2 Clasificarea mbinrilor la construciile metalice. Criterii de clasificare.

    Anticiparea nc din faza de proiectare a comportamentului structural al

    unei construcii metalice este influenat n mare parte de tipul de mbinare dintre

    elemente. Astfel n concordan cu normele n vigoare mbinrile pot fi clasificate n

    funcie de [22]:

    - rigiditate,

    - rezisten,

    - ductilitate.

    Conform ENV 1993-1-8 din 2006, mbinrile se pot clasifica dup rigiditate n

    urmtoarele categorii:

    1. mbinri de tip articulat - care nu pot dezvolta momente

    semnificative susceptibile de a exercita o influen defavorabil

    asupra structurii,

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    33

    2. mbinri semirigide - sunt acele mbinri care nu satisfac condiiile

    de la mbinrile rigide sau articulate,

    3. mbinri rigide (de continuitate)- care s nu aib o influen

    semnificativ asupra repartiiei eforturilor n structur i nici

    asupra deformaiilor de ansamblu a acesteia, ele fiind capabile s

    transmit solicitrile de calcul.

    Clasificare dup rezisten:

    i. mbinri de tip articulat,

    ii. mbinri de rezisten complet rezistena de calcul trebuie s fie

    cel puin egal cu cea a elementelor mbinate,

    iii. mbinri cu rezisten parial rezistena de calcul nu trebuie s fie

    inferioar celei necesar pentru a transmite solicitrile de calcul

    ns poate fi inferioar celei a elementelor mbinate.

    Capacitatea de rotire a unei mbinri poate fi demonstrat experimental.

    Aceast demonstrare experimental nu este cerut de norme dac se utilizeaz

    detalii constructive care n practic au artat c ar avea proprieti adecvate.

    Conform normei europene EN1993-Eurocode-3 Design of steel structures.

    Part 1-8 General - Design of joints calculul i concepia mbinrilor cu uruburi

    solicitate la forfecare sau ntindere trebuie s corespund uneia dintre categoriile

    urmtoare:

    a) mbinri cu uruburi lucrnd la forfecare

    Categoria A mbinri lucrnd la forfecare i la presiune pe pereii gurii. La

    aceste categorii de mbinri se vor utiliza uruburi obinuite sau uruburi de

    nalt rezisten, mergnd de la grupa 4.6 pn la 10.9 inclusiv. Nu sunt

    necesare prevederi speciale pentru suprafeele de contact.

    Categoria B mbinri lucrnd la alunecare n starea limit a exploatriilor

    normale. Se vor utiliza uruburi de nalt rezisten pretensionate. n starea

    limit de exploatare normal nu trebuie s se produc alunecarea.

    Categoria C mbinri rezistnd la alunecare n starea limit ultim. Se vor

    utiliza uruburi de nalt rezisten pretensionate. Nu trebuie s se produc

    alunecare n starea limit ultim.

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    34

    b) mbinri cu uruburi lucrnd la ntindere

    Categoria D mbinri cu uruburi fr pretensionare, se vor folosi uruburi

    normale. Aceast categorie nu trebuie s fie folosit n cazul mbinrilor

    supuse variaiilor frecvente ale solicitrii de ntindere.

    Categoria C mbinri cu uruburi de nalt rezisten pretensionate.

    Pretensionarea mbuntete n acest caz rezistena la oboseal.

    Din punct de vedere a ductilitii cu toate c n norme nu sunt suficiente

    informaii se poate spune c exist trei clase de ductilitate (fig. 3.1):

    - Clasa 1 : mbinri ductile - o mbinare ductil este capabil s dezvolte

    momentul plastic rezistent i s prezinte o capacitate de rotire suficient de

    mare;

    - Clasa 2 : mbinri cu ductilitate medie - o mbinare cu ductilitate medie este

    capabil s dezvolte momentul plastic rezistent dar prezint o capacitate de

    rotire limitat dup atingerea acestui moment;

    - Clasa 3 : mbinri neductile-cedarea prematur (datorit instabilitii sau

    ruperii casante a unei componente a mbinrii) apare n mbinare naintea

    atingerii momentului rezistent.

    Fig. 3.1 Clasele de ductilitate pentru mbinri

    3.3 Aspecte caracteristice ale calculului profilelor cu perei subiri formate la rece regsite n normele de proiectare.

    Aa cum comportarea profilelor din oel formate la rece este particular i

    problemele legate de concepia structurilor, alctuirea elementelor structurale,

    modul de realizare i tehnologiile de mbinare sunt diferite fa de structurile

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    35

    metalice clasice. Prin urmare pentru aceste tipuri de structuri s-au emis norme de

    proiectare specifice.

    Prima norm romneasc din domeniul profilelor cu perei subiri nc

    mai este n vigoare STAS 10108/2-1983 Construcii civile industriale i agricole.

    Calculul elementelor din profile cu perei subiri formate la rece. Prima traducere a

    normei Eurocode 3 - Partea 1.3 a fost fcut n 1997, NP012/1997 Normativ

    pentru calculul elementelor din profile de oel formate la rece. Acesta pe lng

    prescripiile Eurocodului mai conine completri i observaii ale autorilor.

    n S.U.A. prima ediie a normelor AISI (American Iron and Steel Institute)

    pentru proiectarea elementelor din oel formate la rece a aprut n 1946. Anterior

    perioadei 1980, prevederile incluse n prescripiile AISI referitoare la proiectarea

    mbinrilor cu uruburi se bazau pe testelor fcute la Universitate din Cornell (nc

    din 1950 au fost fcute numeroase teste pe mbinri ale tablelor subiri cu uruburi

    de nalt rezisten A307 i A325) sub conducerea lui G. Winter. Aceste prevederi

    au fost mbuntite n 1980 ca urmare a cercetrilor fcute n Statele Unite de ctre

    Research Council on Structural Connections i AISC. n 1986 regulile de proiectare

    ale mbinrilor (dimensiunile maxime ale uruburilor i poziionarea gurilor pentru

    uruburi, metoda rezistenelor admisibile pentru calculul uruburilor) au fost incluse

    n reglementrile AISI. n 1996 normele combin metodele de proiectare ASD i

    LRFD cu mici modificri[1-5].

    Prima ediie a normelor americane unificate North American

    Specification a fost publicat n 2007. Avndu-se n vederea dinamica domeniului

    profilelor din oel formate la rece, majoritate normelor prezint principii de baz

    pentru ncercarea elementelor structurale noi aprute n scopul determinrii modului

    de comportare la anumite solicitri i a modului de cedare. Proiectarea mbinrilor

    (criteriile de proiectare) profilelor cu perei subiri formate la rece dup AISI sunt

    prezentate detaliat de ctre Yu W.W. n Cold-formed Steel Design [57].

    n Australia i Noua Zeeland ultima versiune a normei pentru

    proiectarea structurilor din oel formate la rece este Cold-formed steel structures

    AS/NZS 4600 din 2005.

    n Europa, comitetul ECCS (European Convention for Constructional

    Steelwork) a elaborat recomandrile europene pentru proiectarea elementelor din

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    36

    oel formate la rece, pentru prima dat n anul 1987. n prezent, Comitetul European

    de Standardizare (CEN) denumit CEN/TC 250 Structural Eurocodes, cu

    urmtorul obiect de activitate: Standardizarea regulilor i metodelor de proiectare a

    structurilor pentru cldiri i construcii inginereti innd seama de legtura dintre

    normele de calcul, comportarea materialelor i tehnologia de execuie i control a

    publicat mai nti n 1996 ca i prenorm european Eurocode 3, partea

    1.3(ENV1993-1-3,1996), iar apoi EN 1993-1-3:2006, Eurocode 3 - Design of steel

    structures - Part 1-3: General rules - Supplementary rules for cold-formed members

    and sheeting. Acesta a fost tradus n limba romn cu statutul de standard romnesc

    SR EN 1993-1-3.

    A. Efortul capabil al uruburilor dup Eurocod 3: Partea 1.3

    Efortul capabil la presiunea pe gaur al urubului:

    u 1 ub,Rd b t b,Rd M2

    M2 M2

    f e t fF 2,5 k t d ;F 1.251.2

    = =

    , b este mai mic ca 1 sau e1/(3d)

    t

    t

    k (0.8t 1.5) / 2.5 pentru 0.75mm t 1.25mmk 1 pentru t 1.25mm

    = +

    = >

    Efortul capabil al elementului structural la ntindere:

    0 nn,Rd n M2

    M2

    d fF 1 3r 0.3 A 1.25u

    = + =

    i un,Rd nM2

    fF A

    unde: u=2e1 i up2; r=numrul de uruburi n seciunea

    transversal raportat la numrul total de uruburi al mbinrii

    Efortul capabil la forfecare al unui urub:

    - pentru uruburi din clasele de calitate 4.6, 5.6 i 8.8 cu fub800N/mm2

    ubv,Rd s

    M2

    fF 0.6A=

    - pentru uruburi din clasele de calitate 4.8, 5.8, 6.8 i 10.9 cu fub>800N/mm2

    ubv,Rd sM2

    fF 0.5A=

    Se verific condiia:

    v,Rd b,Rd v,Rd n,RdF 1, 2 F si F 1, 2 F

    Efortul capabil la ntindere al unui urub:

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    37

    ut,Rd s M2

    M2

    fF 0.9A 1.25= =

    Celelalte moduri de cedare trebuie studiate pe cale experimental.

    Se verific condiia: Ft,RdnFp,Rd Domeniul de valabilitate a formulelor este:

    e11,0d0 p13d0 t 0,75mm

    e21,5d0 p23d0 uruburile de diametru minim M6 i de calitate 4.6 pn la 10.9, iar fu550N/mm2.

    Pentru grosimi mai mari ca 3mm se poate folosi EN 1993-1-8.

    B. Efortul capabil al uruburilor dup normele AISI

    Efortul capabil la presiunea pe gaur

    Acesta trebuie s aib valori ntre Pn=2,22Fudt i Pn=3,33Fudt n funcie

    de folosirea sau nu a aibelor, tipul mbinrii i raportul Fu/Fsy.

    Rezistena la ntindere a tablelor

    Pn=Fy An,

    De asemenea cnd mbinarea are aibe pe ambele pri, Pn este:

    Pn=(1-0,9r+3rd/s)FuAn

    Pentru cele unde se folosete doar o singur aib, sau nu se folosete:

    Pn=(1-r+2,5rd/s)FuAn

    Efortul capabil la forfecare al unui urub F=Fnv , unde valoare lui Fnv este dat n tabele n funcie de tipul

    urubului

    Efortul capabil la ntindere al unui urub

    F=Fnt , unde valoare lui Fnt este dat n tabele funcie de tipul urubului

    Domeniul de valabilitate al formulelor este:

    e11,5d p13d

    e21,5d p23d 0.61 t 4.76

    Prin aplicarea codurilor de proiectare, se determin efortul capabil la

    presiunea pe gaur a mbinrilor cu uruburi avnd valorile Pn, Vb, Pbs , Br i

    Fb,Rd date n AISI, AS/NZ4600, BS5950:Part.5, CSA:S136 i respectiv

    Eurocodu3:Part 1.3. Ele sunt prezentate detaliat n ceea ce urmeaz:

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    38

    AISI:1996

    Pn unde Pn=3,00dtfu , =0,60

    fu-rezistena la ntindere a tablelor din oel;

    d- diametrul urubului;

    t- grosimea tablei;

    AS/NZ 4600:1996

    Vb unde Vb=3,00dtfu , =0,60

    Se poate observa c regulile de proiectare din AISI i AS/NZ 4600 sunt

    identice i de aceea mai departe se prezint doar cele din AISI.

    BS5950: Part 5:1998

    Pbs=(1,65+0,45t)dtpy

    unde py rezistena la curgere a tablelor din oel; d i t cu

    semnificaiile de mai sus.

    CSA:S136:1994

    Br=uCdtfu

    unde C=2, pentru d/t>15;

    C= 30t/d, pentru 10

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    39

    C= 30t/d, pentru 10

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    40

    3.4 Alctuirea mbinrilor elementelor structurale din profile cu perei subiri formate la rece

    3.4.1 Alctuirea mbinrilor la perei structurali realizai din profile cu perei subiri

    n continuare se face referire la mbinrile folosite des la profilele cu perei

    subiri realizate prin suprapunerea elementelor. Structuri de case unifamiliale n

    varianta cu profile formate la rece sunt utilizate pe scar larg de la nceputul

    acestui deceniu n rile dezvoltate. Avantajele sistemului constructiv sunt: greutate

    redus un avantaj att al costului ct al comportrii seismice, rapiditate n execuie,

    o bun performan termic, reciclare .a. Realizarea pereilor este n general simpl,

    structura de rezisten alctuit din profile la distane mici placate pe ambele pri

    cu elemente plane de nchidere din diferite materiale, iar ntre montai se poate

    realiza stratul de termoizolaie.

    a) detaliu structur perete

    b)structuri n ansamblu

    Fig. 3.2 Structuri de case din profile cu perei subiri[27]

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    41

    n mod obinuit pereii locuinelor civile uoare se bazeaz pe conceptul de

    perei portani. Peretele este format din montani dispui la distana de 400 sau 600

    mm, care au tot rol portant. Pentru a facilita transmiterea eforturilor ctre fundaii,

    grinzile de planeu i fermele de acoperi se dispun i ele conform tramei adoptate

    la perei. Pereii pot fi alctuii din profile formate la rece n form de C, aezate

    ntr-un profil de ghidaj format dintr-un profil U, care pentru o bun aezare a

    profilelor C, are dimensiunea cu 3-5mm mai mare dect montantul. La partea

    superioar montanii sunt legai tot cu ajutorul unui profil de ghidaj n form de U

    similar celui de la partea inferioar, deasupra cruia se construiete apoi structura

    planeului. Pentru a reduce lungimea de flambaj a montanilor la mijlocul acestora

    pot fi prevzute profile suplimentare care asigur o legtura la acel nivel, lungimea

    de flambaj ajungnd s fie redus la jumtate. mbinrile clasice la profilele cu

    perei subiri sunt cele prin suprapunere direct a elementelor, fr a se folosi

    ntotdeauna un ansamblu separat de rigidizare a mbinrii(eclis, guseu). Exist un

    set de mbinri clasice ce sunt folosite n cadrul structurilor de acest gen, sau unele

    sunt chiar prototipuri. Un exemplu concludent este cel din Fig. 3.3 care reprezint

    principiul de montaj i modul de realizare a mbinrilor perete-planeu.

    Fig. 3.3 mbinare tipic perete-planeu[27]

    Prinderea elementelor se face cu ajutorul a dou sau mai multe uruburi

    autofiletante, la nivelul tlpilor celor dou profile sau prin sudare. Profilul de ghidaj

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    42

    se aeaz pe blocul de fundaie i se fixeaz cu ajutorul unor ancoraje, care au rolul

    de a prelua fora tietoare aprut datorit ncrcrilor orizontale. Tot ancorajele

    trebuie s preia i smulgerile, destul de importante, care apar la coluri sau n

    dreptul capetelor de fixare a contravntuirilor. n general, la aceste tipuri de

    structuri prinderile ntre elemente determin rapiditatea n execuie, de aceea o

    prindere ct mai simpl, dar n acelai timp s ndeplineasc condiiile de rezisten

    i stabilitate, este cea mai important.

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    43

    Fig. 3.4 Detalii tip folosite n industria construciilor civile din profile cu perei

    subiri [27,50]

    n alctuirea acestor detalii se pot folosi de asemenea eclise tot din tabl

    subire, cu rolul de a asigura transmiterea eforturilor ntre elementele mbinate. n

    ncercarea de standardizare i modulare a acestor structuri se folosesc unele tipuri

    de mbinri cu utilizare ct mai general. n acelai timp utilizarea uruburilor

    autofiletante i greutate mic a elementelor nu presupun utilaje de montare

    sofisticate rezultnd astfel un cost al manoperei sczut.

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    44

    Fig. 3.5 Tipuri de mbinri cu eclise[50]

    S-au realizat numeroase studii cu privire la performanele structurale ale

    mbinrilor cu uruburi ntre profile formate la rece i structura principal de

    rezisten alctuit din profile laminate la cald sau fundaii. Modul de comportare

    este oarecum diferit avndu-se n vedere diferenele de rigiditate ntre cele dou

    tipuri de structuri. Modul de cedare preponderent este acela de rupere a elementelor

    din profile formate la rece n jurul gurilor sau de smulgere a profilului subire din

    mbinare.

    uruburi dispuse pe fiecare latur a

    profilului de prindere

    Profil

    Eclis

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    45

    Fig. 3.6 Prinderea profilelor subiri de structura de rezisten

    Trebuie amintit ns faptul c tipurile de mbinri prezentate mai sus nu fac

    n totalitate obiectul prezentei lucrri ele fiind ns un punct de plecare al studiilor

    personale n vederea concepiei unor noi mbinri.

    3.4.2 Alctuirea mbinrilor la cadrele structurilor uoare din profile cu perei subiri

    Ca urmare a modificrilor permanente ale tehnologiilor de producie,

    depozitare i de distribuie, exist o cerere continu pe pia pentru construciile din

    oel cu un singur nivel. Cu toate c, n aceast ramur domin sectorul industrial

    exist i alte sectoare cu o dezvoltare semnificativ, cum ar fi cel al structurilor

    pentru spaii comerciale sau de agrement. n domeniile menionate, oelul rmne

    materialul de construcie fr rival, iar structurile realizate din acest material

    nsumeaz n ultimi anii circa 80% din totalul suprafeei construite.

    Cauzele principale ale acestei stri de fapt pot fi atribuite urmtorilor factori:

    rezistena ridicat a materialului care permite acoperirea unor

    deschideri libere considerabile: deschideri de peste 15 m se realizeaz

    n mod curent,

    timpi de execuie buni, cu o mic dependen de condiiile

    meteorologice ceea ce permite o punere n funcie mai prompt a

    obiectivului respectiv i deci, o recuperare mai rapid a investiiei,

    adaptabilitatea sistemului constructiv, care permite extinderea acestuia

    sau schimbarea destinaiei sale. Circa o treime din cheltuielile de

    investiii pentru construcii industriale sunt destinate extinderilor sau

    modificrilor,

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    46

    reutilizarea i/sau reciclarea materialelor de construcie utilizate.

    Structurile pe cadre metalice de tip portal au devenit la ora actual soluia cea

    mai rspndit pentru cldiri industriale deoarece se preteaz la un grad ridicat de

    industrializare a execuiei, ceea ce conduce la costuri i termene de finalizare mai

    mici. Cadrele de tip portal cu deschideri libere (L) mergnd pn la 20-25 m, ofer

    o mare varietate a soluiilor constructive. Structurile pot fi cu grind transversal de

    acoperi de tip liniar sau cu grind cu zbrele.

    n cazul adoptrii unor nlimi la streaina (H) de 4 pn la 5 m, rezult

    elemente structurale i detalii de mbinare relativ uoare, ns aceste nlimi pot fi

    eventual depite pentru a se asigura condiiile impuse de utilizarea spaiului

    respectiv (considerente de gabarit interior de depozitare sau de gabarit de pod

    rulant). Evident c o structur mai nalt este supus la ncrcri de nivel mai ridicat

    dect una joas, datorit crora, de exemplu pentru creteri ale nlimii la streaina

    de pn la 10 m numai preul structurii de rezisten principale (cadrele metalice)

    crete cu 25%. La aceasta se adaug i costurile suplimentare ale nchiderilor sau

    eventualele costuri n funcie de procesele tehnologice ce au loc.

    Reducerea costurilor de utilizare ale unei cldiri (climatizare interioar,

    iluminare) se poate realiza limitnd pe ct posibil volumul construit, prin

    micorarea nlimii la streain: la aceasta se poate aduga i adoptarea unei

    nlimi reduse la coam (n relaie cu panta minim admis pentru nvelitoare),

    ceea ce contribuie la eliminarea spaiilor interioare moarte de sub acoperi. n

    figurile de mai jos sunt prezentate dou tipuri de cadre utilizate la cldirile

    industriale. Primul este cel folosit n mod curent la structurile tip Kontirom (Fig. 3.7

    i 3.8), iar cel de-al doilea la structurile tip Lindab(Fig. 3.9).

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    47

    15-20m

    2KB

    baza stlpului

    nod de streasina

    nod de coama

    2KB

    a) cadru transversal realizat din profile KB

    nod confectionat din table asamblate prin sudura

    suruburi

    profil laminat la rece

    b) nod de streain c) nod de coam

    Fig. 3.7 Sistem structural tip Kontirom

    Sistemul Konti folosete pentru stlpii i grinzile de cadru profile KB

    formate la rece dispuse spate n spate, iar profilele SIGMA sau Z sunt folosite

    drept pane de acoperi i rigle laterale pentru structura nchiderilor. Sunt folosite n

    mod curent profile KB avnd gama de nlimi de pn la 600mm, i grosimi de 3,5-

    5mm. Toate legturile ntre elementele structurale se fac cu uruburi i confecii

    metalice de nod din tabl groas, ceea ce face ca asamblarea structurii s fie uor de

    realizat i s poat fi demontabil n cazul unei relocri. O parte dintre configuraiile

    actuale de noduri au fost definitivate pe baza ncercrilor desfurate de Facultatea

    de Construcii din Iai n colaborare cu INCERC Iai, ncercri ce vor fi detaliate n

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    48

    capitolele urmtoare. n condiiile ncrcrilor prevzute de normele din Romnia

    astfel de soluii pot fi uzuale pentru deschideri de pn la 22m cu travei de 4 - 6m.

    Pentru deschideri mai mari (22-27m) se poate folosi un sistem de grinzi cu zbrele.

    Fig. 3.8 Structur Kontirom n execuie

    O prezen important n Romnia pe piaa structurilor uoare din profile

    formate la rece este cea a halelor produse de firma Lindab. O parte dintre aceste

    structuri au fost implementate pe baza studiilor i soluiilor elaborate de colectivul

    din cadrul Departamentului de Construcii Metalice i Mecanica Structurilor de la

    Universitatea Politehnica din Timioara. Studii pe mbinri i n special problema

    semirigiditii nodurilor i influena acestora asupra ntregii structuri sunt prezentate

    de ing. Zsolt Nagy n lucrrile sale [18,43]. Schema static a cadrului conine n

    majoritate articulaii, doar nodul de coam este considerat ncastrare, ns mbinarea

    este susceptibil a fi semi-rigid. De regul, elementele principale de rezisten sunt

    din profile C spate n spate.

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    49

    Fig. 3.9 Cadru transversal realizat din dou profile C

    Un alt caz de structuri uoare ntlnite este cel al halelor tip Galcorom unde

    elementele principale de rezisten sunt alctuite din profile Z cu grosimea tablei de

    4mm din oel galvanizat avnd limita de curgere fy=360N/mm2. mbinarea grind

    stlp se realizeaz cu uruburi numai pe inim prin suprapunere aa cum se poate

    observa n Fig. 3.10. Se pot obine structuri cu deschideri de pn la 15m.

    Fig. 3.10 Nod utilizat la structurile tip Galcorom

    Dac n cazul structurilor uoare de locuine unifamiliale cu structur din

    perei portani principiul mbinrilor prin suprapunere este corespunztor, n cazul

    structurilor n cadre, eforturile fiind mult mai mari n elemente, mbinrile acestora

    Cadru curent

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    50

    se bazeaz pe noduri din tabl groas sudat. Aceste tipuri de mbinri se au n

    vedere i n prezenta lucrare.

    Realizarea mbinrilor la aceste tipuri de structuri se face n majoritatea

    cazurilor folosindu-se noduri din tabl groas n care sunt executate guri, apoi

    fcndu-se prinderea fiecrui element pe respectivul nod. Poziionarea uruburilor

    poate fi n dou variante:

    - pe inim,

    - pe inim i pe tlpi.

    n variata n care exist uruburi i pe tlpi s-a artat c eforturile n

    mbinare se distribuie mult mai corect i mai uniform evitndu-se concentrrile de

    tensiune din jurul gurilor uruburilor i rezultnd un nod cu o capacitate portant

    mai bun. Pe lng cerinele de ordin structural pe care trebuie s le ndeplineasc o

    mbinare trebuie avut n vedere i un aspect cu privire la tehnologiilor de montaj,

    care chiar dac uneori se pot realiza cu dificultate, durata prea mare de montaj duce

    la ineficiena acestora.

    a)grinzi cu zbrele n faza de montaj

  • 3.Caracteristici ale mbinrilor cu uruburi la profilele din oel formate la rece

    51

    b)structur finalizat

    Fig. 3.11 Structur din grinzi cu zbrele tip Frisomat(Hala Martax, Braov)

    3.4.3 Metoda componentelor Metoda componentelor poate fi prezentat ca o aplicaie a binecunoscutei

    metode a elementelor finite pentru calculul mbinrilor structurale. Originalitatea

    metodei componentelor const n a considera orice mbinare un set de componente

    individuale. Astfel se determin rezistena i rigiditatea fiecrei componente apoi

    prin asamblarea componentelor se poate determina rezistena i rigiditatea

    mbinrii. Metodele de calcul pentru determinarea momentului capabil, a rigiditii

    la rotire i a capacitii de rotire se bazeaz pe premise corecte n ceea ce privete

    distribuia eforturilor interne. Metoda componentelor a fost implementat n norma

    european pentru calculul mbinrilor [22], la aplicaii structurale n care sunt

    folosite n general seciuni laminate groase. Conform normei, caracteristica de

    calcul moment-rotire se definete de urmtoarele trei proprietii structurale i

    anume:

    - moment ncovoietor capabil,

    - rigiditate la rotire,

    - capacitate de rotire.

    n cazul particular al cadrelor metalice portal (mbinare cu placa de capt

    extins, supus la moment ncovoietor i for axiala) componentele relevante i

    eforturile la care sunt supuse sunt urmtoarele: