87

TOLERANŢE ŞI IMPERFECŢIUNI ÎN EXECUŢIA CONSTRUCŢIILOR METALICE

Ionel Mircea CRISTUŢIU, Nicolae MUNTEAN

Departamentul de Construcţii Metalice şi Mecanica Construcţiilor Universitatea POLITEHNICA din Timişoara

Rezumat O defectiune cât de mică în procesul de realizare a unei lucrări de construcţii-montaj, se poate transforma cu timpul într-o neregulă de mare amploare, uneori producând chiar accidente. Însăşi remedierea acestei nereguli devine astfel mai grea şi mai costisitoare. De aceea, problema prevenirii greşelilor, degradărilor, accidentelor devine foarte importantă. Această problemă este indisolubil legată de cea a calităţii şi siguranţei construcţiilor. Prevenirea deficientelor trebuie făcută prin cunoaşterea şi respectarea cu stricteţe a tuturor regulilor constructive prevăzute în prescripţiile tehnice. Lucrarea prezintă o scurtă trecere în revista a tipurilor de deviaţii care ar putea apărea în construcţiile metalice, limitările la care sunt supuse acestea de către normativele în vigoare, modul în care este ţinut cont de imperfecţiuni în analiza elastică şi un studiu de caz pe o construcţie de tipul P+2E. Cuvinte cheie Structură metalică; toleranţe; imperfecţiuni; imperfecţiune globală; imperfecţiune locală. 1. Introducere Fie ca este vorba de imperfectiuni generate de procesul de fabricatie sau imperfectiuni generate de operatiunile de montaj, putem sustine cu certitudine ca “Toate structurile sunt imperfecte”. Desigur ca este un ideal al tuturor constructorilor ca lucrarile de constructii-montaj sa fie realizate fara deficiente, sa se evite greselile de orice fel, de orice natura. Insa acest lucru ramane deocamdata o aspiratie a tuturor celor implicati in aceasta activitate, o modalitate de ridicare a calitatii si de asigurare a durabilitatii constructiilor, pe care trebuie sa o urmarim cu totii. Imperfectiuniile structurale pot fi impartite in doua mari categorii, imperfectiuni generate de procesul de fabricatie , care includ imperfectiunile de material, imperfectiunile geometrice la nivelul elementelor structurale si a subansamblurilor si imperfectiuni generate de operatiunile de montaj, adica imperfectiunile geometrice globale si imperfectiunile mecanice la transmiterea fortelor si rezemarii. Pentru reducerea la minim a imperfectiunilor structurale in fabricatie si montaj nivelul imperfectiunilor se limiteaza prin standarde de calitate si norme de tolerante iar in proiectare efectul imperfectiunilor se ia in considerare prin intermediul coeficientilor de siguranta si prin proceduri speciale de calcul. De asemenea, materialele de constructii trebuiesc insotite intotdeauna de certificate de calitate (agrementarea materialelor de constructie) iar executia trebuie sa asigure conformitatea cu proiectul si standardele in vigoare.

In Romania exista o seama intreaga de STAS-uri si Normative care stabilesc tolerantele si normele de calitate in executia si montajul constructiilor metalice. Dintre acestea doar cateva sunt enumerate in randurile de mai jos: „STAS 767/0-88: Constructii civile, industriale si agricole. Constructii din otel. Conditii generale de calitate. STAS 500/1-89: Oteluri de uz general pentru constructii. Conditii generale tehnice de calitate. STAS 8600-79: Constructii civile, industriale si agrozootehnice. Tolerante si asamblari in constructii. Sistem de tolerante. STAS 10564/1-81: Taierea cu oxigen a metalelor. Clase de calitate a taieturilor. C150-99: Normativ privind calitatea imbinarilor sudate din otel ale constructiilor civile, industriale si agricole. C56-85: Normativ pentru verificarea calitatii si receptia lucrarilor de constructii si instalatii aferente.” In Europa amintim “EN1090-1: Executia structurilor metalice. Partea I-a: Norme generale si norme pentru cladiri.” Tolerantele stipulate de Norme pot fi impartite in doua categorii: - tolerante la nivelul elementelor - tolerante la nivelul ansamblelor In Normele de calcul, atat cele europene cat si cele romanesti, se opreaza cu imperfectiuni echivalente. Imperfectiunile Globale se iau in considerare in toate cazurile de calcul pe cand imperfectiunile Locale (la nivelul elementelor structurale), se iau in considerare prin intermediul curbelor de flambaj si prin calculul de ordinul II. 2. Prescripţii tehnice în vigoare; Metode de calcul. 2.1 Toleranţe pentru ansambluri

Tipul deviaţiei Descriere Abateri permise

Pozitia planului axelor la un stalp din otel fata de un punct de reper PR

∆ = ± 5 mm

Inaltimea totala a stalpului măsurată in raport cu baza sa

h ≤ 20m; ∆ = ± 10 mm 20 m < h < 100m:

∆ = ± 0.25(h+20) mm h≥100m:

∆ = ±0.1(h+200)mm

88

89

Distanta interax dintre stalpii marginali in raport cu baza lor

L≥30m; ∆ = ± 20 mm 30m<h<250m;

∆ = ± 25(L+50) mm L≥250m

∆ = ± 0.1(h+500)mm L în metri

Distanta dintre doi stalpi consecutivi ∆ = ± 10 mm

Abaterea fata de verticala la fiecare etaj fata de punctul de baza a structurii

pentru o structura multietajata ∑= )300/( nhe

Înclinarea unui stalp independent dintr-o cladire parter, fară pod rulant e = ± h/300 mm

Inclinarea stalpilor unui cadru fara pod rulant

Inclinarea unui stâlp individual

e = ± h/100 mm Situatia cand cei doi stalpi ai cadrului sunt inclinati in aceiasi directie; inclinarea

media a stalpului

500221 hee

±=+

2.2 Toleranţe pentru elemente

Tipul deviaţiei Parametru Abateri permise

Abateri ale înăltimii secţiunii: h ≤ 900mm

900 < h ≤1800 mm h > 1800

∆ = ± 3 mm ∆ = ± 5 mm ∆ = + 8 mm ∆ = - 5 mm

Abateri ale lăţimii tălpilor b1 sau b2

< 300 mm b ≥ 300 mm

∆ = ± 3 mm ∆ = ± 5 mm

90

Abaterea ∆ a inimii faţă de tălpi ∆ = ± 5 mm

Înclinarea ∆ a tălpilor faţă de inimă ∆ = ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

b5

100/

Înclinarea ∆ a tălpilor faţă de inimă pe porţiunea ieşită în

consolă ∆ = ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

b3

150/

Lungimea măsurată pe axa centrală sau la colţul unei

corniere: - lungimea de tăiere

- elementul la cele doua extremitati este pregătit pentru

contact perfect

∆ = ±(2+L / 5000) mm

∆ = ± 1 mm

Rectiliniaritatea la cele două axe ∆ = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

L3

1000/

Contrasageata la mijlocul lungimii, masurata cu inima

orizontala ∆ = ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

L6

1000/

Verticalitatea inimii la rezemare, fără rigidizări la capete ∆ = ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡mm

h3

300/

2.3 Imperfecţiuni globale 2.3.1 Introducerea imperfecţiunilor cadrului Se va efectua o evaluare a efectului imperfectiunilor reale, incluzand tensiunile reziduale si imperfectiunile geometrice cum ar fi abaterea de la verticalitate, curbura initiala datorata sudurilor sau defectelor de ajustaj sau micile excentricitati care sunt de neevitat la imbinarile reale. Efectul imperfectiunilor se va introduce in analiza cadrelor metalice prin intermediul unei imperfectiuni geometrice echivalente, exprimata printr-o inclinare initiala Φ sau prin fortele orizontale echivalente ei, conform tabelului de mai jos. Oricare dintre aceste doua metode este admisa. In general inclinarea initiala se poate produce in orice sens, insa ea va fi introdusa in acelasi sens in cadrul unei variante de analiza.

In numaratoarea de stabilire a valorii nc vor fi luati in considerare doar acei stalpi la care forta axiala Nsd este mai mare sau egala decat 50% din valoarea medie a incarcarii verticale pe un stalp aferenta cadrului plan analizat. In numaratoarea de stabilire a valorii nc, vor fi inclusi numai stalpii care se extind pe toate nivelurile incluse in ns. In numaratoarea de stabilire a valorii ns vor fi incluse numai acele plansee curente sau de acoperis care leaga toti stalpii inclusi in numaratoarea pentru nc.

In cazul aplicarii unei analize elastice globale, efectele de ordinul II produse de deplasarea laterala vor fi introduse, fie direct prin efectuarea unei analize de ordinul II, fie indirect prin intermediul uneia dintre urmatoarele variante:

91

- o analiza elastica de orinul I, cu amplificarea ulterioara a momentelor incovoietoare, ca efect al deplasarii laterale.

- o analiza elastica de ordinul I, cu amplificarea ulterioara a lungimilor de flambaj, ca efect al deplasarilor laterale.

In cazul in care va fi utilizata metoda momentelor incovoietoare amplificate, lungimile de flambaj in planul cadrului la barele comprimate se vor lua ca pentru un cadru cu noduri fixe. 2.4 Imperfecţiuni locale 2.4.1 Imperfecţiunile sistemelor de contravântuiri Efectele imperfectiunilor vor fi introduse in calculul sistemelor de contravantuire (care se prevad pentru asigurarea stabilitatii laterale a grinzilor sau a barelor comprimate) prin intermediul unei imperfectiuni geometrice echivalente a barei contravantuite, sub forma unei curburi initiale sau sub forma unei forte echivalente stabilizatoare conform tabelului de mai jos.

Efectele datorate deplasarilor initiale ale unui nod si sagetiilor initiale, pot fi inlocuite de un sistem de forte orizontale echivalente, introduse pentru fiecare tip de stalp in parte (vezi fig de mai jos.)

Imperfecţiuni iniţiale laterale Imperfecţiuni iniţiale de încovoiere

92

Aceste deplasari initiale trebuiesc aplicate, pe rand, in toate directiile orizontale. Toate deplasarile initiale trebuiesc aplicate intr-o singura directie. In cadrele multietajate, fortele echivalente trebuiesc aplicate pe fiecare etaj in parte. 2.4.2 Analiza globală în domeniul elastic 2.4.2.1 Efectul deformatiilor asupra structurii Valorile eforturilor interne pot fi determinate in doua moduri : - fie printr-o analiza de ordinul I, folosind geometria nedeformata a structurii; - fie printr-o analiza de ordinul II, ce tine cont de influenta deformatiilor asupra structurii. Trebuie tinut cont de efectul deformatiilor doar in cazul in care acestea amplifica eforturile interne si modifica considerabil comportamentul structurii. Analiza de ordinul I poate fi utilizata in cazul deformatiilor, daca cresterile eforturilor interne si comportamentul structurii pot fi neglijate. Aceasta conditie este indeplinita in cazul in care :

10≥=Ed

crcr F

Fα pentru analiza elastica

15≥=Ed

crcr F

Fα pentru analiza plastica

unde crα este factorul de amplificare a incarcarilor de calcul, incarcari la care structura cedeaza prin instabilitate elastica. FEd – incarcarile de calcul; Fcr – forta critica elastica de flambaj corespunzatoare instabilitatii globale, determinata tinandu-se cont de rigiditatea elastica initiala a structurii.

crα ≥ 15 pentru analiza plastica deoarece comportamentul structurii poate fi influentat semnificativ de proprietatiile neliniare ale materialului in starea limita ultima (in cazul in care un cadru formeaza articulatii plastice cu redistribuirea momentelor sau acolo unde apar deformatii neliniare neimportante ca valoare). 3. Studiu de caz Executia defectuoasa a elementelor infrastructurii si suprastructurii unei cladiri conduce in cele mai multe cazuri la aparitia unor imperfectiuni si deci implicit, la introducerea unor eforturi initiale in structura. In cele mai multe cazuri, aceste probleme sunt generate de nerespectarea tolerantelor maxime la montajul pieselor inglobate. Pentru exemplificare se va prezenta cazul unei cladiri P+2E (fig. 3.1) amplasata in Timisoara. In acest caz, problemele au fost cauzate de montajul defectuos al pieselor inglobate, abaterile fata de proiect depasind cu mult tolerantele maxime admise. Pentru a se putea realiza montajul stalpilor structurii metalice, s-a impus ovalizarea gaurilor din placile de baza ale stalpilor (fig. 3.2). Datorita gabaritului placilor de baza, ovalizarile nu au putut insa sa corecteze in intregime abaterile inregistrate la montajul pieselor inglobate astfel ca s-a realizat un montaj fortat al cadrelor transversale. Masuratorile topometrice dupa montaj au aratat abateri ale stalpilor de la verticala cu peste 35% fata de valorile maxime admise. 93

Aceste abateri de la verticalitate au fost introduse in analiza pentru a se verifica starea de solicitare reala din structura. In urma verificarilor sa constatat o crestere semnificativa a eforturilor unitare in elementele fata de valorile initiale:

• Stalp (parter) : + 17% • Stalp (etaj I) : + 40% • Stalp (etaj III) : + 50%.

Fig. 3.1 Vedere de ansamblu a structurii

Fig. 3.2 Ovalizarea gaurilor placii de baza

Aceste cresteri nu au condus la depasirea rezistentelor de calcul admise pentru niciunul din trosoanele stalpului insa deplasarile cumulate au depasit limitele maxime admise.

94

Fig. 3.3 Axonometria cadrului in care a fost necesara interventia asupra riglei de la etajul I

Pentru a se corecta pozitia stalpilor a fost necesara scurtarea grindei transversale de la etajul I cu circa 20 mm, slabirea suruburilor imbinarilor stalpiilor iar apoi restrangerea lor. Refacerea verticalitatii stalpilor a asigurat incadrarea in limitele maxime admise atat pentru starea limita ultima de rezistenta si stabilitate cat si pentru starea limita a exploatarii normale. In figurile 3.4 si 3.5 sunt prezentate valorile deplasarilor nodurilor din cadrul cel mai afectat (cadrul ax 6), valori initiale (dupa montajul fortat al structurii), si valori finale (dupa scurtarea riglei de la etajul I; slabirea si restrangerea suruburilor din noduri).

Fig 3.4 Valorile deplasarilor initiale Fig. 3.5 Valorile deplasarilor finale

4. Concluzii Montajul deficitar al pieselor inglobate, si anume dezaxarea acestora cu valori importante, in cele mai multe cazuri, conduce la nealinierea elementelor structurii principale de rezistenta. In acest caz, responsabilul de executie al structurii apeleaza la un montaj fortat al elementelor principale ale structurii de rezistenta, rezultand in final abateri mari, pe orizontala, ale nodurilor cadrelor.

95

96

Masuratorile topometrice la fata locui au scos in evidenta valori ale deplasarilor pe orizontala, care depasesc valorile maxime admise. Acest lucru a impus realizarea unui studiu suplimentar care sa tina cont de efectul acestor deplasari. In urma studiului efectuat s-a ajuns la concluzia, ca desi eforturile obtinute in urma introduceri abaterilor inregistrate prin masurari topometrice au crescut semnificativ, eforturile unitare in structura analizata au fost in limita celor admisibile. Bibliografie 1. ENV 1993-1-1 Eurocode 3: Design of steel structures Part.1.1: General Rules and rules

for buildings, 1992. 2. D. Dubina, J. Rondal & I. Vayas: Calculul Structurilor Metalice – Eurocode 3 – Worked

Examples; CME TEMPUS 01198. 3. FD ENV 1090-1: Execution des structures en acier – normalisation francaise. 4. Ion Stratescu: Breviar de defecte in constructii, Editura Tehnica Bucuresti, 1990.