UNIVERSITATEA TEHNIC Ă DE CONSTRUCŢII BUCURE ŞTI

Facultatea de Construcţii Civile, Industriale şi Agricole

TEZĂ DE DOCTORAT Rezumat

Contribuţii la dezvoltarea unor soluţii

funcţionale şi structurale pentru clădiri de şcoală, adecvate

exigenţelor secolului al 21-lea

Doctorand

Ing. Mihaela Cristina T. Mitroi Conducător de doctorat

Prof. univ. emerit dr. ing. Florin-Ermil Dabija

BUCUREŞTI 2013

UNIVERSITATEA TEHNIC Ă DE CONSTRUCŢII BUCURE ŞTI

Facultatea de Construcţii Civile, Industriale şi Agricole

Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe întreaga perioadă a studiilor universitare de doctorat de bursă atribuită prin proiectul strategic „Burse oferite doctoranzilor în Ingineria Mediului Construit” , beneficiar UTCB, cod POSDRU/107/1.5/S/76896, proiect derulat în cadrul Programului Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane, finanţat din Fondurile Structurale Europene, din Bugetul Naţional şi cofinanţat de către Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti.

TEZĂ DE DOCTORAT Rezumat

Contribuţii la dezvoltarea unor soluţii

funcţionale şi structurale pentru clădiri de şcoală, adecvate

exigenţelor secolului al 21-lea

Doctorand

Ing. Mitroi T. Mihaela Cristina Conducător de doctorat

Prof. univ. emerit dr. ing. Florin-Ermil Dabija

BUCUREŞTI 2013

Cuvinte cheie - clădire de şcoală; - sala de clasă; - planşee din beton armat; - structură din beton armat.

Cuprinsul tezei de doctorat

Introducere Cap.1 Procesul educaţional

1.1 Repere în evoluţia procesului educaţional în ultimele două secole 1.2 Principalele schimbări în procesul educaţional modern în raport cu cel tradiţional 1.3 Sinteza unor tendinţe actuale în domeniul educaţional, cu impact semnificativ asupra concepţiei şi proiectării şcolilor moderne

Cap.2 Organizarea funcţională a spaţiului în clădirile de şcoală moderne, în concordanţă cu exigenţele specifice ale procesului educaţional în secolul al 21-lea

2.1 Elemente generale 2.2 Impactul schimbărilor în procesul educaţional modern asupra organizării funcţionale a sălii de clasă 2.3 Impactul schimbărilor în procesul educaţional modern asupra organizării funcţionale a clădirii de şcoală 2.4 Strategii de modernizare a clădirilor de şcoală 2.5 Concluzii

Cap.3 Soluţii de planşee de beton armat cu deschideri mari, adecvate cerinţelor funcţionale ale clădirilor de şcoală moderne

3.1 Exigenţe de performanţă ale planşeelor, în corelare cu specificul funcţional al clădirilor de şcoală 3.2 Cerinţe generale privind soluţiile de planşee utilizate la construcţii de şcoală 3.3 Planşee de beton armat monolit 3.4 Planşee de beton armat integral prefabricate 3.5 Planşee de beton armat parţial prefabricate 3.6 Studii parametrice pentru planşee de beton armat monolite şi prefabricate aferente tramelor modulare recomandabile pentru clădirile de şcoală noi sau existente 3.7 Concluzii

Cap.4 Sisteme structurale cu performanţe tehnico-economice superioare, compatibile cu cerinţele funcţionale ale clădirilor de şcoală moderne

4.1 Factori determinanţi şi exigenţe esenţiale în concepţia şi proiectarea structurală a clădirilor pe baza conceptului de performanţă 4.2 Principalele cerinţe adresate soluţiilor structurale în raport cu organizarea funcţională a spaţiului în clădirile de şcoală moderne 4.3 Sisteme structurale cu cadre şi duale (monolite, prefabricate parţial său integral)

4.4 Studii de caz asupra unor sisteme structurale asociate soluţiilor funcţionale propuse pentru clădiri de şcoală adecvate cerinţelor unui proces educaţional modern 4.5 Concluzii

Cap.5 Eficienţa utilizarii betonului în structura cl ădirilor de şcoală, în contextul dezvoltarii sustenabile 5.1 Repere definitorii ale conceptului de dezvoltare sustenabilă 5.2 Aplicarea conceptului de dezvoltare sustenabilă în construcţia clădirilor 5.3 Eficienţa utilizării betonului în structura clădirilor 5.4 Concluzii Cap.6 Concluzii 6.1 Sinteza concluziilor încorporate în capitolele tezei 6.2 Contribuţii proprii ale autoarei Bibliografie Anexe

Teza conţine un număr de: 219 pagini, 123 figuri, 11 grafice şi 44 tabele. ANEXA 3 conţine un numar de 44 planuri. ANEXA 4 conţine un numar de 48 planuri.

INTRODUCERE

Clădirea de şcoală, suportul fizic pentru desfăşurarea activităţilor educative, a cunoscut în decursul timpului multiple schimbări. Importanţa acesteia este evidenţiată de faptul că învăţarea este printre puţinele activităţi care se desfăşoară cu implicarea majorităţii membrilor comunităţii. Provocările în momentul de faţă în domeniul educaţional constau în a-i ajuta pe oameni cum să înveţe şi cum să gândească într-o lume în continuă schimbare. Evoluţia şi schimbările ce au avut loc în procesul educaţional în ultimele decenii, precum şi tendinţele în domeniu au condus la elaborarea unor programe de construcţii şcolare noi, de modernizare a clădirilor şcolare existente şi de punere în practică a unor soluţii inovatoare. Teza de doctorat are drept obiectiv principal efectuarea unei cercetări cu caracter pluridisciplinar şi elaborarea pe această bază a unui studiu ştiinţific referitor la proiectarea şi realizarea clădirilor de şcoală moderne, în concordanţă cu cerinţele dezvoltării procesului educaţional în prima parte a secolului al 21-lea. În ansamblul său, studiul este concentrat asupra clădirilor de şcoală aferente învăţământului preuniversitar.

1. PROCESUL EDUCAŢIONAL

În societatea contemporană, cuvântul cheie cel mai relevant este, fără îndoială, schimbarea. Acesta poate fi considerat definitoriu şi pentru esenţa procesului educaţional, în trecerea de la modelul “tradiţional” la cel “modern”. Schimbările ce au avut loc periodic în procesul educaţional prezintă implicaţii semnificative asupra concepţiei şi proiectării funcţionale a clădirilor de şcoală, clădiri ce constituie una dintre componentele majore ale infrastructurii în domeniul educaţiei. În interiorul fiecărui model educaţional – de la tradiţional la modern – pot fi identificate o serie de atribute definitorii pentru natura procesului de învăţământ, precum şi pentru nivelul la care o clădire de şcoală este aptă să răspundă în mod adecvat cerinţelor specifice fiecărei etape ale acestui proces. Cele mai relevante schimbări – parţial începând deja a fi puse în aplicare – ce se au în vedere pe termen mediu în numeroase ţări, pot fi exprimate sintetic astfel: • Renunţarea la modelul unic de şcoală publică potrivită tuturor elevilor şi creşterea opţiunilor oferite pentru soluţii alternative, inclusiv organizarea procesului de învăţare pe baza unor modele de curriculum diversificate.

• Dirijarea preponderentă a evoluţiei sălii de clasă pe baza dezvoltării şi a generalizării implementării tehnologiei informaţionale şi comunicării; dezvoltarea formelor de învăţământ virtual la distanţă şi combinarea acestora cu învăţarea cvasi-traditionala.

• Trecerea de la modelul de proces educaţional “centrat pe profesor” la cel “centrat pe elev”, schimbarea şi diversificarea metodelor didactice şi a relaţiei elev-profesor; adaptarea la o varietate de stiluri de învăţare ale elevilor, prin particularizarea claselor şi organizarea activităţilor pe grupuri mici sau/şi individual.

• Evoluţia materialelor didactice în direcţia preponderenţei celor oferite de tehnologia informaţiei şi comunicării, cu implicaţii asupra mediului fizic (acustic, vizual) şi reţelelor în sala de clasă.

• Creşterea duratei timpului petrecut de elevi în şcoală, în paralel cu utilizarea suplimentară de către comunitatea locală a unor spaţii ale clădirii de şcoală. • Amplificarea necesităţilor de flexibilitate funcţională şi de adaptabilitate la schimbări în evoluţia procesului educaţional, implicând în principal: - reconfigurarea, redimensionarea şi regruparea spaţiilor de învăţare; - aplicarea unui concept modular clar şi eficient pentru configurarea sălilor de clasă şi a celorlalte spaţii ale clădirii de şcoală; - utilizarea unor elemente de compartimentare şi de mobilier uşoare şi deplasabile; - crearea de spaţii comune multifuncţionale (polivalente). • Prevederea încă din stadiul iniţial a unor posibilităţi eficiente sub aspect funcţional şi tehnico-economic pentru eventuala extindere în viitor a spaţiului şcolii.

2. ORGANIZAREA FUNCŢIONAL Ă A SPAŢIULUI ÎN CL ĂDIRILE DE ŞCOALĂ MODERNE, ÎN CONCORDANŢĂ CU EXIGENŢELE SPECIFICE ALE PROCESULUI EDUCAŢIONAL ÎN SECOLUL AL 21-LEA

Pentru a proiecta un mediu educaţional nou este recunoscută drept indispensabilă plasarea elevului în centrul procesului de învăţare. Schimbarea şi îmbunătăţirea spaţiilor de învăţământ trebuie să urmărească satisfacerea noilor cerinţe ale elevului şi să creeze oportunităţi pentru pregătirea acestuia astfel încât să se poată integra cât mai rapid într-un mediu social-economic nou şi să răspundă cu succes multiplelor provocări ale societăţii moderne aflate în continuă transformare. • Dinamica schimbărilor în procesul educaţional se caracterizează în prezent prin ritm accelerat, complexitate, interdependenţă şi globalizare treptată. Pentru a răspunde satisfăcător provocărilor ce apar în acest domeniu la nivelul secolului al 21-lea, modernizarea procesului educaţional – împreună cu implicaţiile ce decurg din acesta – trebuie să pună accentul pe diversificare, flexibilitate în conţinut şi în formă, adaptabilitate la schimbările potenţiale ale pieţei muncii în cadrul căreia elevii de astăzi îşi vor desfăşura activitatea în viitor.

• Pentru a crea condiţii optime de răspuns la exigenţele procesului educaţional modern spaţiile de învăţare – termen de mai largă cuprindere, ce înlocuieşte pe cel tradiţional de săli de clasă – trebuie să fie înzestrate cu o serie de noi caracteristici, impunându-se totodată integrarea lor la nivelul şcolii într-un ansamblu fizic şi virtual complex. În acest context, spaţiile de învăţare (atât cele noi cât şi cele reamenajate) trebuie să fie: flexibile şi adaptabile, colaborative, interconectate şi creative. • Progresele în tehnologia informaţiei şi comunicării, împreună cu dezvoltarea reţelelor sociale şi a mijloacelor media, necesită spaţii de învăţare cu pronunţat caracter dinamic. Proiectarea acestora trebuie să se bazeze pe flexibilitate maximă a configuraţiei spaţiale şi a dispunerii mobilierului, aptă să faciliteze aplicarea unor metode specifice de lucru individual şi în grupuri de dimensiuni variate, precum şi să genereze noi modele de învăţare.

• Confortul ambiental al spaţiilor de învăţare (cu referire la condiţiile de temperatură şi calitatea aerului, natura şi nivelul de zgomot, nivelul şi calitatea iluminării) are o influenţă

considerabilă asupra comportamentului şi performanţelor la învăţătură ale elevilor. Prin proiectare, parametrii de confort ambiental trebuie să fie adaptaţi la particularităţile de vârstă ale elevilor şi la cerinţele de natură biologică. Introducerea schimbării în organizarea funcţională a mediului fizic al şcolii – spaţiile de învăţare şi clădirea în ansamblu – trebuie să dezvolte strategii de modernizare adecvate, diferenţiate pentru construcţiile şcolare noi şi pentru cele existente. • Strategiile de modernizare adoptate şi programele de acţiune/ intervenţie derivate din acestea au drept scop esenţial obţinerea de răspunsuri inovatoare, în concordanţă cu noile concepte şi modele educaţionale, prin crearea de: - spaţii flexibile, adaptabile sau/şi multifuncţionale; - spaţii atractive, accesibile şi sigure; - spaţii economice, durabile şi sustenabile.

• Implementarea în procesul de proiectare şi de realizare a clădirilor de şcoală noi a unei concepţii modulare globale crează premise pentru obţinerea de avantaje majore, de natură funcţională, structurală, tehnologică, economică şi ecologică. În egală măsură, conceptul poate fi pus în practică şi la construcţia de corpuri de clădire noi pentru extinderea unor şcoli existente, în vederea modernizării acestora. În cadrul programelor viitoare destinate modernizării învăţământului în ţara noastră, adoptarea şi aplicarea cu consecvenţă a conceptului de modulare şi a soluţiilor principiale decurgând din acesta pentru construcţia sau (după caz) extinderea clădirilor de şcoală poate constitui o cale de acţiune deosebit de eficientă. Unele dintre conceptele programatice cele mai frecvent aplicate la proiectarea şcolilor moderne constau în: - integrarea clădirilor în campus sau în ţesutul urban; - asigurarea unei maxime flexibilităţi funcţionale a spaţiului şcolii, în paralel cu crearea premiselor pentru un grad ridicat de adaptabilitate la viitoare exigenţe ale procesului educaţional; - crearea de configuraţii spaţiale grupate în jurul unui nucleu central, realizat sub formă de “stradă” sau “galerie”, atrium, patio acoperit, curte interioară deschisă s.a.; - gruparea sălilor de clasă sub formă de “roiuri” sau “ciorchine”, ca alternative la dispunerea lor în unităţi liniare (cu acces vizual); - prevederea de spaţii comune multifuncţionale (polivalente); - realizarea unui sistem de spaţii de circulaţie apte să faciliteze contactul informal între elevi, ca şi între aceştia şi profesori; - adoptarea unui sistem extins de modulare a unităţilor funcţional - constructive, cu luarea în considerare a posibilităţilor de extindere viitoare a spaţiilor; - asigurarea de legături organice între spaţiul interior şi cel exterior (natural şi construit) al clădirii. - alegerea şi definirea unui modul funcţional unic capabil – prin combinaţii variate – să răspundă adecvat cerinţelor de organizare funcţională a tuturor categoriilor de spaţii din interiorul clădirii de şcoală. Parametrii geometrici (formă şi dimensiuni) ai acestui modul se stabilesc în relaţie directă cu valorile cele mai frecvent întâlnite (statistic) pentru sălile de clasă în studiile şi cercetările efectuate cu privire la clădirile de şcoală moderne;

- investigarea implicaţiilor şi condiţiilor ce rezultă pentru alcătuirea şi conformarea sistemului structural al clădirii, astfel încât acesta să răspundă corect cerinţelor esenţiale de rezistenţă şi stabilitate la toate categoriile de acţiuni exercitate asupra construcţiei.

Figura 2.1 - Figura 2.2 – Modul functional Posibilităţi de unic: 9,00x9,00 m fragmentare a

modulului functional unic: 9,00x9,00 m

3. SOLUŢII DE PLAN ŞEE DE BETON ARMAT CU DESCHIDERI MARI, ADECVATE CERIN ŢELOR FUNCŢIONALE ALE CL ĂDIRILOR DE ŞCOALĂ MODERNE

Pentru a-şi îndeplini în totalitate rolul complex în cadrul „sistemului clădire”, structura – considerată în ansamblu, precum şi la nivelul principalelor sale componente – trebuie să răspundă unui întreg set de exigenţe (cerinţe) de performanţă de natură tehnică, funcţională, tehnologico-economică şi de dezvoltare sustenabilă. Exigenţele de performanţă particularizate pentru cazul planşeelor pot fi formulate astfel: - exigenţe tehnice: rezistenţa mecanică şi stabilitatea, rigiditatea, rezistenţa la foc; - exigenţe funcţionale: confortul acustic, confortul higrotermic, etanşeitatea la apă, siguranţa în exploatare; - exigenţe tehnologice şi economice: optimizarea consumului de resurse (materiale, manoperă, energie), reducerea costului; - exigenţe de sustenabilitate (cu referire la utilizarea betonului ca material pentru realizarea planşeelor): durabilitatea betonului, eficienţa energetică, creşterea rezistenţei la foc a planşeelor, îmbunătăţirea izolării acustice a planşeelor.

Soluţii de planşee analizate Tipurile de planşee – considerate drept adecvate în raport cu organizarea funcţională a spaţiului în clădirile de şcoală moderne şi selectate în vederea efectuării studiilor de caz – au următoarele caracteristici generale comune: - reţea modulară (tramă) pătrată cu dimensiuni (deschideri/travei) de 9,00x9,00 m, corespunzătoare modulului funcţional de bază adoptat pe baza considerentelor expuse pe larg în cuprinsul Cap.2 al tezei; - rezemare perimetrală pe riglele cadrelor spaţiale ce formează structura verticala şi care, la rândul lor, reazemă pe stâlpi poziţionaţi la nodurile reţelei modulare; - alcătuire planşee monolite: placă şi grinzi secundare (nervuri) din beton armat, orientate pe una sau pe două direcţii; - alcătuire planşee prefabricate: elemente din beton precomprimat realizate, după caz, din elemente liniare sau elemente de suprafaţă (predale), completate cu suprabetonare monolită.

• Planşeele monolite sunt prezentate cu două soluţii de alcătuire şi anume: - având grinzile secundare orientate pe o direcţie, prezentând variante în privinţa distanţei dintre grinzi şi, respectiv, în privinţa secţiunii acestora; - având grinzile secundare orientate pe două direcţii (casetate), prezentând de asemenea variante similare celor din cazul precedent. În legătură cu planşeele monolite sunt de făcut următoarele menţiuni: - având în vedere reţeaua modulară (tramă) a structurii clădirii, cu dimensiuni de 9,00x9,00m, soluţia cu placă rezemată direct pe riglele cadrelor si cea cu placă rezemată direct pe stâlpii amplasaţi la nodurile reţelei modulare au fost eliminate deoarece ar reclama o grosime excesivă a plăcii – pe considerente de rezistenţă şi de rigiditate – cu implicaţii tehnico-economice evident defavorabile; - soluţiile cu placă şi grinzi secundare trebuie analizate în final şi prin prisma condiţiilor sau/şi a eventualelor restricţii impuse cu privire la profilul intradosului planşeului. In caz de necesitate realizarea unui intrados plan continuu al planşeului se poate realiza prin prevederea unui tavan suspendat sau prin înglobarea unor elemente de umplutură (cu rol de „cofraj pierdut”) odată cu executarea planşeului. • Planşeele prefabricate introduse în studiu sunt reprezentate de următoarele soluţii: - fâşii cu goluri având lungimea nominală de 9,00 m, montate alăturat şi orientate pe direcţia transversală; - grinzi (secundare) având lungimea nominală de 9,00 m, montate la distanţe de 3,00 m sau 4,50 m între ele şi orientate pe direcţie transversală, în înălţimea cărora sunt rezemate plăci pline (predale); - grinzisoare cu lungime nominală de 9,00 m, montate la distanţe de cca 0,60 m (interax) între ele şi orientate pe direcţie transversală, pe care reazemă elemente ceramice cu goluri. În privinţa planşeelor prefabricate se pot face următoarele precizări: - elementele prefabricate aparţinând soluţiilor de planşee studiate sunt produse în condiţii industrializate (de uzină), caracteristicile lor fiind conforme cu standardele de fabricaţie ale producătorului. Datele folosite în cadrul studiului sunt preluate din sursele documentare avute la dispoziţie; - aşa cum s-a menţionat deja, în cazul tuturor soluţiilor de planşeu prefabricate studiate este prevăzută realizarea unei suprabetonari monolite, care asigură atât o distribuire favorabilă a încărcărilor verticale concentrate sau locale aplicate pe planşeu cât şi o comportare adecvată de diafragmă orizontală rigidă.

Figura 3.1: Model 1 (a, b, c) Figura 3.2: Model 2 (a, b, c) Figura 3.3: Model 3 (a, b, c) Planşeu monolit cu placă şi Planşeu monolit cu placă şi Planşeu monolit cu placă şi grinzi secundare pe o direcţie, grinzi secundare pe o direcţie, grinzi secundare pe o direcţie, la distanţa de 3.00 m la distanţa de 1.50 m la distanţa de 0.90 m

Figura 3.4: Model 4 (a, b) Figura 3.5: Model 5 (a, b) Figura 3.6: Model 6 (a, b) Planşeu monolit cu placă şi Planşeu monolit cu placă şi Planşeu monolit cu placă şi grinzi secundare pe două grinzi secundare pe două grinzi secundare pe două direcţii la distanţa de 3.00 m direcţii la distanţa de 1.50 m direcţii la distanţa de 0.90 m

Figura 3.7: Model 7 - Figura 3.8: Model 8 Planşeu monolit cu placă groasă Planşeu monolit cu nervuri pe două direcţii rezemată perimetral pe grinzi late (tip “bandă”) (planşeu casetat) la distanţa de 0.90 m, având perimetral “benzi” cu secţiune plină

Figura 3.9: Model 9 Figura 3.10: Model 10 - Planşeu prefabricat Planşeu prefabricat din fâşii cu goluri cu plăci pline (predale), grinzi secundare la şi suprabetonare monolită distanţa de 3.00m şi suprabetonare monolită Figura 3.11: Model 11 - Planşeu prefabricat Figura 3.12: Model 12 - Planşeu parţial cu plăci pline (predale), grindă secundară prefabricat cu grinzi, corpuri ceramice mediană şi suprabetonare monolită de umplutură şi suprabetonare monolită

Analiza rezultatelor studiilor de caz Pe baza analizării rezultatelor obţinute în cadrul studiilor de caz efectuate se pot face constatări şi formula concluzii – calitative şi cantitative – asupra nivelului performanţelor potenţiale ale soluţiilor de planşee dezvoltate în cuprinsul acestui capitol considerate adecvate pentru clădirile de şcoală moderne. • Planşeele monolite Studiul este efectuat pentru 8 soluţii (Modelele 1..8) cuprinzând un număr total de 17 variante; 3 modele constau din planşee cu grinzi secundare dispuse pe o direcţie, 3 modele constau din planşee u grinzi secundare dispuse pe două direcţii, 1 model este alcătuit din placa groasă rezultată perimetral pe grinzi late (tip „bandă”), iar 1 model este alcătuit sub formă de planşeu casetat având „benzi” perimetrale cu secţiune plină. Parametri variabili: - dispunerea grinzilor secundare pe una sau două direcţii; - distanţa (interax) între grinzile secundare: 3,00 m, 1,50 m sau 0,90 m;

- înălţimea grinzilor secundare:1/14..1/24 din deschidere, în funcţie de dispunerea acestora pe una sau două direcţii şi de distanţa între ele. Rigiditatea fiecărei dintre soluţiile de planşee studiate este confirmată de mărimea deformaţiilor (săgeţii) sub acţiunea încărcărilor verticale, care se situează sub valoarea limită admisibilă. Indicii de consum de beton (mc/mp x100) se prezintă astfel: - planşee cu grinzi secundare pe o direcţie 12,4..17,7, media fiind 14,2; - planşee cu grinzi secundare pe două direcţii 13,7..21,3, media fiind 17,2, valorile crescând odată cu creşterea secţiunii şi a numărului de grinzi secundare ale respectivei soluţii de planşeu. Notă: Soluţia de planşeu cu placă groasă şi grinzi de tip „bandă” pe contur (Modelul 7), ca şi aceea cu planşeu casetat având benzi perimetrale cu secţiune plină (Modelul 8) rezultă cu consumuri comparativ mai ridicate – 24,0 respectiv 26,7 mc/mp x100 – datorită faptului că includ şi zonele perimetrale pline de tip „bandă” corespunzătoare cadrelor structurii.

Grafic 3.1: Sinteza indicilor de consum de beton pentru planseele monolite aferente modelelor 1... 8 (mc/mp x100)

Indicii de consum de armatură (kg/mp) prezintă următoarele valori: - planşee cu grinzi secundare pe o direcţie 19,9..27,4, media fiind 23,3; - planşee cu grinzi secundare pe două direcţii 15,8..19,4, media fiind 17,6, valorile scăzând concomitent cu creşterea înălţimii secţiunii grinzilor, dar crescând în paralel cu creşterea numărului de grinzi aferente respectivei soluţii de planşeu.

Grafic 3.2: Sinteza indicilor de consum de armătură pentru planseele monolite aferente modelelor 1... 8 (kg/mp)

Datorită specificului de alcătuire şi al modului de realizare a transmiterii încărcărilor la reazemele constituite de stâlpii structurii (v. şi nota de mai sus) celelalte soluţii de planşee (Modelele 7 şi 8) înregistrează consumuri de armătură comparativ mai ridicate şi anume 25,6 şi respectiv 32,8 kg/mp. Indicii de consum de cofraj sunt reprezentati in graficul de mai jos:

Grafic 3.3: Sinteza indicilor de consum de cofraj pentru planseele monolite aferente modelelor 1... 8 (mp/mp)

• Planşeele prefabricate Studiul cuprinde analiza unui număr de 3 soluţii de planşee (una dintre ele cu 2 variante), rezultând prin utilizarea următoarelor tipuri de elemente prefabricate: fâşii cu goluri, grinzi şi plăci pline (predale), grinzi şi corpuri ceramice de umplutură. Elementele prefabricate sunt realizate din beton precomprimat. Toate soluţiile de planşeu au caracter compozit, elementele prefabricate conlucrând cu o suprabetonare monolită. Indicii de consum de beton şi de armătură sunt reprezentati în graficele de mai jos:

Grafic 3.4: Sinteza indicilor de consum de beton Grafic 3.5: Sinteza indicilor de consum de pentru planseele prefabricate aferente armătură pentru planseele monolite aferente modelelor 9, 10, 11, 12 (mc/mp x100) modelelor 9, 10, 11, 12 (kg/mp)

Identificarea soluţiei şi variantei optime de planşeu în raport cu fiecare situaţie dată trebuie să se bazeze pe o analiză multicriteriala, ţinând seama de ansamblul exigenţelor de performanţă general valabile pentru clădiri, de cerinţele specifice ale clădirilor de şcoală, de avantajele potenţiale şi de dezavantajele – de natură funcţională, tehnică, tehnologică, economică şi de sustenabilitate – prezentate de fiecare categorie şi soluţie de planşee.

4. SISTEME STRUCTURALE CU PERFORMANŢE TEHNICO-ECONOMICE SUPERIOARE, COMPATIBILE CU CERIN ŢELE FUNCŢIONALE ALE CLĂDIRILOR DE ŞCOALĂ MODERNE

Principalii factori determinanţi pentru concepţia şi proiectarea structurală a clădirilor sunt: - organizarea funcţională a spaţiului; - conformarea clădirii şi aspecte arhitecturale specifice; - înălţimea clădirii; - condiţiile de amplasament; - rezistenţa şi stabilitatea; - sistemele de instalaţii şi echipamente; - rezistenţa la foc; - materialele şi tehnologiile de execuţie; - economia. Rigiditatea la acţiuni laterale depinde în primul rând de tipul sistemului structural; mai departe, eficienţa unui anumit sistem structural este direct legată de dimensiunile elementelor componente, deci de cantitatea de material utilizat. Optimizarea structurii în raport cu cerinţele conformării sale specifice urmăreşte să obţină maximum de rigiditate cu minimum de greutate proprie, ceea ce stimulează capacitatea de inovare a proiectantului. Unii dintre factorii ce se află la baza actualei dezvoltări a unor soluţii structurale cu eficienţă tehnico-economică ridicată sunt: - materiale structurale cu proprietăţi fizico-mecanice superioare; - conlucrare dezvoltată între elementele structurale; - noi mijloace şi tehnologii de îmbinare între elementele structurale; - materiale de construcţie mai uşoare, reducând astfel masa clădirii; - noi procedee tehnologice de execuţie cu eficienţă sporită; - programe de înaltă performanţă pentru efectuarea de analize structurale. Structurile analizate în acest studiu sunt realizate din beton armat monolit, având următoarele alcătuiri: - S1 „cadre spaţiale” cu stâlpi interiori şi exteriori rari (deschideri/travei 9,00 m), planşee alcătuite din placă cu nervuri - dispuse pe una sau două direcţii - la interax de 1,50 m; - S2 „cadre spaţiale” cu stâlpi interiori rari şi exteriori deşi (interax 3,00 m); - S3 „dual” cu stâlpi interiori şi exteriori rari (deschideri/travei 9,00 m), cu pereţi structurali plini (independenţi) orientaţi pe două direcţii, dezvoltaţi pe lungimea unei travei sau deschideri, cu secţiune întărită la capete cu bulbi. Conformarea structurilor are în vedere satisfacerea principiilor generale ale proiectării seismice. Configuraţia pe verticală şi în plan este regulată, iar distribuţia rigidităţilor şi maselor reduce la minim efectul general de torsiune indus de acţiunea seismică. În vederea obţinerii unor rezultate direct comparabile, s-au ales clădirile studiate cu acelaşi regim de înălţime şi anume 4 niveluri (P+3E), prezentând însă configuraţii în plan diferite. În urma analizării rezultatelor obţinute în cadrul studiilor de caz efectuate se pot formula o serie de concluzii – atât de natură calitativă, cât şi cu anumite aspecte cantitative –

cu privire la nivelul performanţelor potenţiale ale soluţiilor structurale alternative propuse. Este de făcut precizarea că studiul acestor soluţii de structuri a fost concentrat asupra a două modele funcţionale (partiuri) de clădiri de şcoală (A şi B), considerate a fi cele mai reprezentative dintre variantele ilustrate cu titlul de exemple în subcapitolul 4.5.

Analiza rezultatelor studiilor de caz • Aspecte de natură funcţională Modelele funcţionale (partiurile) sunt alcătuite esenţialmente prin asamblarea unor module de bază cu dimensiuni de 9,00x9,00 m, care permit (prin compartimentare sau expandare adecvată) obţinerea de spaţii cu dimensiuni corespunzătoare rolului încăperilor respective în cadrul clădirii de şcoală. Soluţia structurală S1 - constând dintr-un sistem spaţial de cadre cu stâlpii dispuşi pe o reţea modulară (deschideri/travei) de 9,00x9,00 m - nu condiţionează şi nu impune restricţii în privinţa organizării funcţionale a spaţiului clădirii. Soluţia structurală S2 – constând dintr-un sistem spaţial de cadre similar soluţiei S1, însă cu stâlpii de pe conturul clădirii dispuşi la interax de 3,00 m (între panourile de fereastră) – de asemenea nu exercită condiţionări sau restricţii asupra organizării spaţiului în interiorul clădirii. Soluţia structurală S3 – constând dintr-un sistem dual, cu cadre spaţiale având stâlpii dispuşi pe o reţea modulară identică cu aceea de la soluţia S1 şi cu pereţi structurali (în număr minim pentru a corespunde cerinţelor de alcătuire simetrică) orientaţi pe ambele direcţii principale şi amplasaţi în poziţii convenabile – are capacitatea de a evita sau a reduce la minim impunerea de condiţii care să influenţeze flexibilitatea organizării.

Figura 4.1 – Model A.S1 Figura 4.2 – Model A.S2

Figura 4.3 – Model A.S3 Figura 4.4 – Model B.S1 Figura 4.5 – Model B.S2

Figura 4.6 – Model B.S3

• Aspecte de natură structurală Ambele modele funcţionale (partiuri) de clădiri de şcoală studiate (A şi B), ca şi variantele din interiorul fiecărui model, prezintă o serie de elemente comune şi anume: - reţea (tramă) modulară de bază 9,00x9,00 m; - plan cu simetrie pe ambele direcţii principale; - regim de înălţime P+3E şi înălţime de nivel 3,30 m; - sistem structural realizat din beton armat monolit; - condiţii seismice identice pe amplasament, caracterizate prin ag=0,24 g şi TC=1,6 s. Fiecare dintre cele 3 soluţii structurale studiate (S1, S2 şi S3) prezintă în ansamblu alcătuirea caracteristică unui sistem de cadre spaţiale cu deschideri şi travei mari, sistem deosebit de performant sub aspectul satisfacerii cerinţei de flexibilitate funcţională specifică clădirilor de şcoală moderne. Raportate la structura S1, deosebirile constau în îndesirea stâlpilor de pe conturul clădirii (în cazul structurii S2) sau în introducerea unui număr de pereţi structurali (în cazul structurii S3), realizând astfel un sistem dual. Alte elemente variabile introduse în studiu se referă la alcătuirea planşeelor (placă cu nervuri pe o direcţie - în cazul P1 sau, respectiv pe două direcţii – în cazul P2), precum şi la mărirea în anumite cazuri a clasei betonului de la C30/37 la C50/60. În toate cazurile, armarea betonului este prevăzută cu oţel PC52. • Conformarea de ansamblu a soluţiilor de structură studiate, precum şi dimensiunile adoptate pentru elementele componente ale acestora au avut drept efect obţinerea unei rigidităţi la deplasări laterale adecvate în raport cu condiţiile seismice ale amplasamentului şi cu regimul de înălţime al clădirii. Acest rezultat este reflectat, în fiecare caz, de valorile perioadelor proprii şi cele ale deplasărilor relative de nivel. Datele cuprinse în graficele de mai jos arată că: - perioada fundamentală are valori situate în intervalul 0,40..0,50s în cazul structurilor în cadre S1 şi S2, în timp ce introducerea pereţilor la structurile duale S3 coboară aceste valori la 0,27...0,30s; - valorile deplasărilor (maxime) relative de nivel – calculate în conformitate cu prevederile codului românesc de proiectare în vigoare – se situează, în cazul structurilor în cadre S1 şi S2, în apropierea (dar fără a depăşi) valorile impuse pentru stările limită considerate, în timp ce la structurile duale S3 mărimea deplasărilor se reduce de peste 5 ori. Această ultimă constatare arată că pereţii introduşi în structurile duale S3 oferă – în configuraţia studiată – o rigiditate laterală în exces, lăsând astfel loc şi pentru adoptarea unor configuraţii alternative.

Grafic 4.1 Primele 3 perioade de vibraţie (s) ale structurilor aferente modelelor A si B

Grafic 4.2 Deplasările relative de nivel (cm) ale structurilor aferente modelelor A si B

• Valorile calculate pentru indicele consumului de beton în structură prezintă o variaţie relativ redusă de la un model structural la altul (v. Tabelul 4.13 şi graficul 4.3), fiind grupate în intervalul 27..31 mc/mp x100 în cazul variantelor structurale având planşee cu nervuri dispuse pe o singură direcţie (P1), respectiv între 34 şi 36 mc/mp x100 în cazul celor având planşee cu nervuri dispuse pe două direcţii (P2). În condiţiile menţinerii celorlalţi parametri constanţi, reducerea înregistrată de consumul de beton prin majorarea clasei betonului de la C30/37 la C50/60 este de cca. 4%, în timp ce prin adoptarea uneia dintre variantele structurale S2 sau S3 se pot obţine reduceri de ordinul a 8..9% în raport cu varianta S1. Pe de altă parte, soluţia de planşeu cu nervuri pe două direcţii (P2) aduce o creştere a consumului de beton de aproape 17% faţă de utilizarea unui planşeu cu nervuri pe o singură direcţie (P1).

Grafic 4.3: Sinteza indicilor de consum de beton pentru structurile aferente modelelor A si B (mc/mp x100)

• Cantitatea de armatură în structură a fost evaluată pe baza dimensionării elementelor componente reprezentative ale acesteia (rigle de cadru, stâlpi şi, după caz, pereţi) corespunzător stării de eforturi generate de încărcările gravitaţionale şi cele seismice la nivelul parterului clădirii.

Valorile calculate pentru indicele consumului de oţel în structură (v. Tabelul 4.14 şi Graficul 4.4) se situează – pe ansamblul cazurilor studiate – în intervalul 39..51 kg/mp. Majorarea clasei betonului de la C30/37 la C50/60 poate atrage o reducere practic nesemnificativă (maxim 2.5%) a consumului de oţel. Influenţa variantelor structurale S2 sau

S3 asupra consumului de oţel se manifestă prin reduceri de cca. 20%, respectiv 17%, faţă de varianta S1. Adoptarea soluţiei de planşeu cu nervuri pe două direcţii (P2) dă posibilitatea reducerii consumului de oţel cu 5..7% în raport cu un planşeu similar având nervuri pe o singură direcţie (P1).

Grafic 4.4: Sinteza indicilor de consum de armatură pentru structurile aferente modelelor A si B (kg/mp)

5. EFICIENŢA UTILIZ ĂRII BETONULUI ÎN STRUCTURA CL ĂDIRILOR DE ŞCOALĂ, ÎN CONTEXTUL DEZVOLT ĂRII SUSTENABILE

Conceptul de dezvoltare durabilă în construcţia de clădiri apare definit (1994) sub forma: „Crearea şi managementul responsabil al unui mediu construit sănătos, bazat pe utilizarea eficientă a resurselor şi pe principii ecologice”. Dacă o clădire este sustenabila (conformă cu dezvoltarea durabilă), ea se adaptează mediului natural prin: obţinerea avantajelor maxime posibile de pe urma utilizării materialelor şi a proceselor naturale, exercitarea impactului minim posibil asupra mediului înconjurător. In contextul dezvoltarii sustenabile clădirile de şcoală pot oferi beneficii importante în privinţa protejării mediului şi oportunităţi de reducere semnificativă a costurilor de exploatare, având de asemenea un mare potenţial de creştere a performanţelor din partea utilizatorilor. Cercetările efectuate au arătat în mod sistematic corelarea strânsă existentă între factorii ce contribuie la sustenabilitatea unei clădiri (calitatea aerului interior, condiţiile de iluminare, performanţele acustice, confortul termic, evitarea poluării, flexibilitatea/ adaptabilitatea spaţiilor interioare) şi factorii cunoscuţi ca având impact considerabil asupra sănătăţii şi productivităţii. Folosirea elementelor realizate din beton prefabricat conduce la avantaje în construcţia de clădiri, precum: eliminarea risipei de materiale şi a deşeurilor, eliminarea cvasi-totală a dependenţei procesului de construcţie de condiţiile meteorologice, reducerea duratei procesului de realizare a construcţiei, grad superior de rezistenţă la foc.

6. CONCLUZII

Concluzii Alegerea tematicii pentru lucrarea de faţă îşi are originea în recunoaşterea necesităţii cercetării în vederea implementării în ţara noastră a unor soluţii eficiente funcţional şi structural-tehnologic, ştiinţific fundamentate, capabile să contribuie la dezvoltarea infrastructurii şcolare la un nivel de performanţă corespunzător procesului educaţional modern. Problematica tratată în cadrul tezei este dirijată către o serie de aspecte cu relevanţă majoră în privinţa concepţiei şi proiectării funcţionale şi structurale a clădirilor de şcoală, reflectând în acest context stadiul actual şi experienţa practică în domeniu existentă într-o serie de ţări dezvoltate, cu precădere cele din Uniunea Europeană. Teza de doctorat are în vedere posibilitatea de a furniza informaţii şi date cu fundament ştiinţific, susţinute prin sinteză şi interpretarea rezultatelor cercetării întreprinse, care să poată constitui criterii obiective în cadrul procesului de adoptare a unor decizii în privinţa strategiilor şi a diferitelor soluţii alternative de construcţie/ modernizare a clădirilor de şcoală destinate învăţământului preuniversitar din ţara noastră, în concordanţă cu cerinţele procesului educaţional în secolul al 21-lea.

Contributii proprii În activitatea desfăşurată în cadrul programului de cercetare în vederea elaborării tezei de doctorat, autoarea consideră că a adus anumite contribuţii proprii, după cum urmează:

• Sinteza unui amplu material documentar referitor la domeniul în care se încadrează tema adoptată pentru teza de doctorat, în contextul schimbărilor majore intervenite şi al tendinţelor ce se manifestă în procesul educaţional modern.

• Analiza stadiului actual al concepţiei şi proiectării clădirilor de şcoală în concordanţă cu cerinţele şi schimbările ce se manifestă deja sau se anticipează pentru prima parte a secolului al 21-lea. • Evidenţierea interdependenţei organice şi a condiţionărilor reciproce dintre procesul educaţional, organizarea funcţională a spaţiului clădirii de şcoală şi sistemul structural al acesteia, cu implicaţii directe asupra proiectării şcolilor moderne. • Analizarea posibilităţilor de aplicare în proiectarea şi realizarea clădirilor de şcoală a unei concepţii de modulare dimensională, adecvată cerinţelor specifice şi parametrilor funcţionali-spaţiali implicaţi de procesul educaţional modern. • Elaborarea de studii de caz (cu variante ale parametrilor geometrici) pentru planşee bazate pe modulul de 9,00x9,00 m, realizate din beton armat monolit sau cu elemente prefabricate, inclusiv analiză comparativă a eficienţei tehnico-economice a soluţiilor şi variantelor studiate. • Elaborarea de studii de caz pentru sisteme structurale realizate din beton armat monolit, configurate pe module de bază având 9,00x9,00 m, alcătuite în variante adecvate cerinţelor de flexibilitate/ adaptabilitate funcţională ale unei clădiri de şcoală moderne (cadre spaţiale sau soluţii duale cu deschideri de 9,00 m), inclusiv analiza comparativă a eficienţei lor tehnico-economice. Considerând că tema aleasă pentru teza de doctorat, precum şi problematica tratată în cadrul acesteia, se înscriu într-un domeniu de interes şi de certă actualitate legat de

dezvoltarea suportului fizic al modernizării procesului de învăţământ în ţara noastră – clădirile de şcoală – se apreciază că lucrarea elaborată va putea contribui la o actualizare a bazei de date existente, la valorificarea în practica de proiectare şi în activitatea universitară a informaţiilor conţinute. Printr-o diseminare adecvată a rezultatelor obţinute în cadrul programului de cercetare, lucrarea de faţă va putea constitui totodată un punct de plecare pentru continuarea, dezvoltarea şi diversificarea studiilor în domeniu.

Bibliografie selectivă

• Buildings, An Engineers Guide to: Economical Concrete Floor System, Portland Cement Association, 2005

• Cod de proiectare seismică – Partea I – Prevederi de proiectare petru clădiri”, indicativ P100/1-2006 • Dabija F.E.: „Building design” (Vol.III), Ed. Conspress, 2010

• Iftode M.: „Organizarea funcţională a spaţiului în clădirile de şcoală: stadiul actual, concepte şi soluţii moderne/inovatoare, tendinţe”, raport în cadrul programului de elaborare a tezei de doctorat “Contribuţii la dezvoltarea unor soluţii funcţionale şi structurale pentru clădiri de şcoală, adecvate exigenţelor secolului al 21-lea”, 2011 • ISSN 2071-7925, European design types for 21th century schools: an overview, CELE Exchange 2010/3 • Kiss Z., Oneţ T. - Proiectarea structurilor de beton după SR EN 1992-1, Ed. Abel, 2008 • Rampell C.: „Class Size Around the World”, The New York Times, November 28, 2011 • Tănăsoiu R.: “Arhitectura construcţiilor şcolare”, Ed. Tehnică 1979

• www.asacons.ro/Produse/Elemente-prefabricate-de-planseu/Fasii-cu-goluri--eID66.html • http://www.gov.ro/capitolul-5-educatie_11a2086.html

• http://www.peterli.com/spm/resources/articles/archive.php?article_id=1857 (Abramson P.: „Pods vs. corridors”) • http://staticlb.didactic.ro/uploads/assets/82/2/19//invatamantulcentratpeelev.doc