Exemple de cldiri cu structura din BIR

STRUCTURI DIN BETON PENTRU CLDIRI CU DESTINAIE SPECIALIasi, ianuarie 2014BETOANE DE NALT REZISTENIntroducere

Posibilitatea de a realiza betoane cu rezistene de cteva ori mai mari dect cele ale betoanelor obinuite a deschis noi perspective pentru construcii.Una din aplicaiile tipice ale acestor betoane de nalt rezisten este realizarea stlpilor cldirilor etajate. Au putut astfel s fie realizate cldiri mult mai nalte cu structura din beton, n condiii acceptabile funcional i interesante economic. Creterea rezistenei a fost nsoit i de ameliorarea altor proprieti, n special a durabilitii, dar i de aspecte specifice de comportare, mai puin dorite: o comportare mai fragil la compresiune i o cedare exploziv la aciunea focului. Aceste aspecte au devinit foarte interesante n momentul de fa pentru proiectanii din Romnia, i n special din Bucureti, cnd sunt cerute construcii tot mai nalte ntr-o zon cu seismicitate ridicat. Utilizarea Betonului de nalt Rezisten (denumit n continuare pe scurt BIR) n rile dezvoltate a crescut n ultimele decenii, datorit faptului c poate fi obinut in situ utiliznd un raport ap/ciment sczut prin adugarea de aditivi superplastifiani de nalt calitate. Dezvoltarea treptat i constant a cunotintelor despre BIR, tehnologiile de punere n oper i lrgirea domeniilor de utilizarea a BIR din ultimii 50 de ani, precum i utilizarea frecvent l scot de pe lista materialelor relativ noi, fapt ce ar trebui s ne atrag atenia asupra calitilor acestui material i posibilitatea de a-l utiliza la construciile din ara noastr, avnd n vedere amplasamentul ntr-o zon seismic.Acest tip de beton e perceput ca un material diferit de betonul obinuit, ns BIR este n primul rnd beton, desigur cu exigenele de rigoare n ceea ce privete producerea i punerea lui in oper.Trebuie marcat inconsistena termenului de Beton de nalta Rezisten, dei acesta e utilizat pentru a-l diferenia de betonul obinuit, prin prima caracteristic uor de sesizat: rezistena la compresiune. Astfel, in aplicaiile practice ale BIR, accentul se pune de multe ori pe alte proprieti ale materialului dect pe rezistena la compresiune: modul de elasticitate mare, compactitate ridicat, permeabilitate scazut si rezisten la diferii factori din medii agresive, motiv pentru care se folosete n ultimii ani termenui de Beton de nalt Performan (BIP). Pentru utilizarea n zone seismice, este de o importan primordial asigurarea unei ductiliti suficiente. Aceasta nseamn o rotire de bar (deplasare relativ de nivel) de minimum 2-2,5 %, sau, exprimnd ductilitatea la nivel secional, o ductilitate de curbur ntre 10 i 20.Realizarea acestei ductiliti, avnd n vedere comportarea mai fragil a betonului de nalt rezisten la compresiune, comparativ cu un beton obinuit, impune msuri mai severe de confinare prin armturi transversale (etrieri). Aceasta duce uneori la procente mari de armare i o aglomerare excesiv de armturi, dac se folosesc oeluri obinuite. Cercetrile efectuate n Japonia, Noua Zeeland i Canada au demonstrat eficiena oelurilor cu limit de curgere ridicat (1000-1300MPa).

In ara noastr, utilizarea BIR este un subiect puin abordat. Nici normeleromneti de proiectare (STAS 10107/0-90 i P100-1/2006) nu conin prevederispecifice privind betonul de nalt rezisten. Normele europene prevd anumite dispoziii particulare pentru BIR n EN1992-1-1, dar nu precizeaz nimic n ceea ce privete utilizarea n zone seismice(EN 1998-1).

Compoziie

n jurul anilor 1950, betonul cu o rezisten la compresiune de 34 MPa eraconsiderat de nalt rezisten. n anii `70, aceast limit a crescut pn la 40 MPa,n zilele noastre considerndu-se a face parte din categoria BIR betonul cu rezistena la compresiune de minim 55 MPa. n rile dezvoltate, BIR avnd rezistena lacompresiune de peste 60 MPa este produs frecvent. n ultimii 20 de ani, betoane de nalt rezisten (90-100 MPa, ocazional si 120 MPa) sunt folosite n domeniulconstruciilor de cldiri nalte, poduri i structuri n condiii de expunere sever.Aceste betoane s-au realizat consecvent, iar producerea i utilizarea lor au devenit aproape o rutin. Analiznd compoziia betonului obinuit i cea a BIR, sesizm factorul care face diferena: tiinta de a combina elementele care intra in compoziia betonului.Ambele tipuri de beton au aceleai ingrediente: ciment portland, agregate, ap siaditivi. n plus, BIR are ntotdeauna n compoziie aditivi de reducere a apei(superplastifiani), pe cnd betonul obinuit doar n unele cazuri. n ceea ce privete alte adaosuri, cum ar fi zgura de furnal sau silicea ultrafin, acestea pot s apar sau nu n compoziia ambelor tipuri de betoane.Know-how-ul necesar producerii BIR const n a cunoate proprietile constituenilor i a interaciunii dintre ei. Factorul principal, care st la baza obinerii BIR este un raport ap/ciment foarte sczut asociat cu o lucrabilitate satisfctoare n timpul compactrii.Utilizarea superplastifianilor este absolut necesar pentru a reduce cantitatea de ap i a menine n acelai timp o lucrabilitate satisfctoare.Reducerea raportului a/c se poate face i prin cresterea cantitii de ciment, dar aceast soluie, pe lng faptul c mrete costurile, duce la creterea cldurii de hidratare, ceea ce creeaz probleme. Fr superplastifiant, combinaia dintre o limit superioar a cantitii de ciment i una inferioar a cantitii de ap inseamn imposibilitatea de a reduce raportul ap/ciment sub valoarea de aproximativ 0,4.Superplastifiantul mpiedic tendina de coagulare a particulelor de ciment i astfel se fluidizeaz amestecul, fiind nevoie de o cantitate sczut de ap pentru asigurarea unei lucrabiliti corespunztoare. n consecin, e posibil s obinem un amestec cu o tasare de 18-20 centimetri la un raport ap/ciment de 0,2-0,3. Aceste valori corespund unei cantiti de ap de 125-135 litri/mc de beton, fa de 180-200litri/mc la un beton normal, cu o tasare de 10-12 centimetri. Acesta ar fi pe scurt secretul BIR (Atcin & Neville, 1993).Reetele de preparare ale betoanelor de nalt performan conin: cimenturi Portland fr adaosuri, cu rezistene de 50-70 MPa, agregate minerale din roci dure, concasate, adaosuri minerale fine, foarte fine sau ultrafine, superplastifiani, ntrzietori de priz i ntrire, ap.

Calitatea cimentului reprezint un factor important pentru obinerea de betoane de nalt performan. Aceasta este dat de materiile prime utilizate, de compoziia chimic, de procedeele de fabricaie, de temperatura de ardere, de modul de rcire, de fineea de mcinare i de rezistena la compresiune a pietrei de ciment.Agregatele trebuie s aib urmtoarele caliti: rezisten la compresiune mare, rugozitate bun a suprafeelor, capacitate de absorbie a apei (acest lucru intensific legtura matrice-agregat), s nu aib reacii nefavorabile cu cimentul, s provin, de preferin, din carierele ce exploateaz roci masive de bun calitate i din balastierele ce exploateaz zcminte aluvionare omogene, s nu fie fisurate i s fie curate.Dintre tipurile de aditivi reductori de ap de preparare, superplastifianii auimportana cea mai mare la prepararea betoanelor de nalt performan. Aceti polimeri sintetici neutralizeaz, ntr-o anumit msur, sarcinile electrice prezente lasuprafaa granulelor de ciment, mpiedicnd astfel aglomerarea acestora i reinerea de ap n surplus (figura de mai jos).

Fig.1. Efectul superplastifianilor i al prafului de silice ultrafin(Olar, 2009)Principalele categorii de pulberi utilizate n compoziia betoanelor de nalt performan sunt: silicea ultrafin, cenuile zburtoare, nisipul cuaros, silicea de precipitare, metacaolinitul i pulberile metalice.Silicea ultrafin este un subprodus din industria ferosiliciului colectat n electrofiltre. n compoziia betoanelor de nalt, performan silicea ultrafin (n procent de circa 10% din cantitatea de ciment) asigur reducerea porozitii, creterea rezistenei betonului, scderea necesarului de ap de preparare (numai n prezena superplastifianilor), rezultnd un raport A/(C+SUF) sub 0,30 , creterea densitii matricei, coeziunea intern a amestecului n stare proaspt (nu segreg i nu separ apa de preparare), mbuntirea rezistenei la coroziune datorit permeabilitii reduse la ap, i asigur un comportament bun la nghe dezghe (Olar, 2009).Exemple de cldiri cu structura din BIR

Primele construcii la care a fost utilizat betonul de nl rezisten au fost realizate n Chicago n anii 60. Trebuie menionat c n acea perioad, rezistena betonului folosit n mod obinuit varia ntre 15 si 30 MPa. n decurs de 2 decenii, rezistena betoanelor utilizate s-a triplat. De la sfritul anilor 80, cnd s-a utilizat beton cu rezisten de circa 135 MPa la structura cldirii Two Union Square i n Seattle, rezistena betoanelor nu a mai crescut spectaculos (nedepind 150 MPa), dei s-au fcut progrese spectaculoase n obinerea betoanelor de nl rezisten. Dac la nceput utilizarea betonului de nalt rezisten la cldiri nalte s-a limitat la continentul nord-american, de pe la mijlocul anilor 80 el s-a rspndit pe toate continentele. n ultimii 10 ani, odat cu dezvoltarea economic, s-au nregistrat realizri numeroase i spectaculoase n Sud-Estul Asiei (n special China, Hong-Kong, Taiwan) i n Golf. Trebuie menionat c n ultimii ani BIR a fost preferat oelului ca material structural. Astfel, din primele 10 cldiri de peste 200 m terminate n 2009, 7 au structura din beton (CTBUH Journal no. 1/2010).n acest clasament nu a intrat cea mai nalt cldire din lume, Burj - Khalifa din Dubai i care are de asemenea structura realizat integral din BIR (Baker et. al., 2008).Structurile de beton au, fa de cele din oel, avantajele rigiditii i masei sporite, ceea ce duce la o comportare mai bun la aciunea vntului, precum i un pre de cost mai sczut.n continuare sunt prezentate cteva din realizrile mai vechi sau mai recente, care demonstreaz posibilitile de utilizare a betonului de nalt rezisten la cldirile nalte.

Cldirea Water Tower Place, ChicagoWater Tower Place a fost cea mai nl cldire de beton armat din lume (262)m din 1975 pna n 1990, cnd a fost depit n nlime de 311 South Wacker Drive, aflat de asemenea n Chicago. Sistemul structural combina un tub perimetral perforat de beton armat, stlpi interiori i grinzi din otel i plac de beton. Pentru stlpii de beton s-a folosit la primele 13 etaje beton cu rezisten de 62 MPa. Apoi rezistena betonului a fost redus progresiv, pastrndu-se dimensiunile seciunii stlpilor i facndu-se astfel economii la cofraje. Trebuie menionat c n acea perioad nu erau disponibili dect reductori de apa pe baz de lignosulfonai. Pentru realizarea betonului de nl rezisten au fost ncercate mai multe tipuri de cimenturi disponibile n zon i apoi compatibilitatea lor cu aditivii comercializai. Pentru a obine o lucrabilitate suficient i a reduce n acelai timp cantitatea de ap necesar, 15% din ciment a fost nlocuit cu cenui zburtoare (Atcin, 2001).

Cldirea 225 W. Wacker Drive, ChicagoCldirea, cu 30 de etaje si 132 m nlime, are stlpii realizai cu betoane de rezisten variind ntre 31 si 96 MPa. La primele 5 niveluri a fost folosit beton cu rezisten de 96MPa, dup care rezistena betonului utilizat a sczut progresiv, astfel nct s se obin procente de armare longitudinal apropiate de 1%. Aceasta a dus la soluia cea mai economic (Moreno, 1990). Pentru a realiza rezistena cerut, betoanele cu rezisten mai mare de 69MPa au continut SUF. Aceste betoane au o culoare mai nchisa dect cele folosite la turnarea plcilor. Pentru motive de ordin estetic, acolo unde sunt vizibili att stlpii ct i placa (nivelurile de garaje), a fost utilizat un amestec fr SUF, care prinoptimizare a dat un beton cu rezisten de 96 MPa.Cldirea Scotia Plaza, TorontoCu 68 de etaje si 275 m nlime, cldirea Scotia Plaza, situat n centruloraului Toronto, a constituit o etap important a utilizrii betonului de nl rezisten n Canada. S-a folosit un beton cu rezisten de 70 MPa, ceea ce constituia un record pentru Canada la acea epoc (Atcin, 2001). De fapt, rezistena betonului a fost de 85 MPa, superioar valorii cerute de proiectant. O noutate a constituit-o folosirea zgurei de furnal fin mcinate n compoziie.(135 Kg/mc)

Trump International Hotel & Tower, Chicago (Baker, 2006)Cnd va fi terminat, n 2009, cldirea cu 92 de etaje si 345.6 m va fi cea mainalt cldire de beton armat din SUA. Cldirea va avea retrageri la nivelele 16, 29 si51, care corespund nalimii cldirilor vecine, pentru a da continuitate vizual. Un sistem de nucleu i grinzi-centuri asigur rezistena si rigiditatea la aciuni laterale. Grinzile-centuri angajeaz stlpii perimetrali npreluarea momentului de rsturnare.Nucleul, situat n centrul cldirii este format din perei n forma de I si C,cu inimi de 46 cm grosime si 12,5 m lungime i tlpi de 1,2 m grosime si 2,7 pna la 6,7 m lungime. Riglele de cuplare situate deasupra intrrii la lifturi au 1.2x0,8 m. Grinzile-centuri sunt grinzi perei masive, de pn la 1,7 m lime i 5,3 m nlime, care leag nucleul de stlpii marginali la 3 din etajele tehnice duble ale cldirii (nivelurile 28-29, 50-51 si 90-91). Ele servesc i ca grinzi de transfer. Stlpii sunt n general circulari cu diametrul de 1,8 m la baza i rectangulari cu dimensiunile 0,6x1,2 m la partea superioar a cldirii. Exceptnd stlpii care sunt situai deasupra i dedesubtul grinzilor-centuri, care sunt foarte solicitai, ceilali stlpi sunt armai la procentul minim de armare prevazut de codul ACI.

Pna la nivelul 51, toi stlpii i pereii structurali sunt prevazui cu beton cu rezisten de 83 MPa la 90 de zile. Anumite zone din grinzile centuri necesit beton cu rezisten de 110 MPa. Datorit armturilor foarte dese, s-a folosit un beton autocompactant, care a fost pompat i turnat la peste 200 m nlime, ceea ce constituie o premier.

Central Plaza, Wanchai, Hong KongCldirea, realizat ntre 1991-1992, cu o nlime total de 378,4 m, cuprindeun turn compus din baza turnului (de 30,5 m nlime, cu intrarea i spaiile de circulaie publice), corpul turnului (235 m nlime, cu 57 etaje de birouri si 5 etaje tehnice) i vrful turnului (6 etaje tehnice i o antena de 102 m nlime). nalimea de etaj (curent) este de 3,6 m, realiznd o nlime liber de 2,6 m. De regul, pentru a realiza o nlime liber de 2,6-2,7 m este necesar o nlime de etaj de 3,9-4,0 m. S-a estimat c s-au realizat astfel economii de circa 30 milioane HK$ pentru cele 58 etaje de birouri (circa 1 milion HK$ pentru fiecare metru nlime economisit). Soluia structural iniial prevedea o structur metalic: un tub contravntuit la exterior, planseu cu grinzi pricipale i secundare, tabl cutat i plac de beton, nucleu cu structur metalic proiectat s preia numai ncrcri verticale. Soluia final utilizeaz beton de nalt rezisten: perimetral, stlpi amplasai la 4,6 m interax i legai cu grinzi de 1,1 m nlime i nucleu de beton armat, care preiau solicitrile din vnt.Utilizarea eficient a cofrajelor duce la o vitez de execuie similar cu cea pentru o structur metalic. Economiile estimate (fa de soluia cu structura metalic) au fost de 230 milioaneHK$.

ConcluziiRealizarea de betoane cu rezistene de cteva ori mai mari dect cele alebetoanelor obinuite a deschis noi perspective pentru construcii. Una din aplicaiile tipice ale acestor betoane de nalt rezisten este realizarea structurilor cldirilor etajate nalte. Au putut astfel s fie realizate cldiri foarte nalte cu structura din beton, n condiii acceptabile funcional i interesante economic. Aceasta a inversat tendina de realizare a structructurilor de cldiri nalte din oel, n ultimul deceniu majoritatea cldirilor nalte avnd structura din beton sau mixt oel-beton.Creterea rezistenei a fost nsoit i de ameliorarea altor proprieti, n special a durabilitii, dar i de aspecte specifice de comportare, mai puin dorite, cum ar fi o comportare mai fragil la compresiune. Aceasta a dus la o oarecare reticen din partea proiectanilor privind folosirea BIR, n special n zone seismice. Totui, cercetrile experimentale au artat c, n anumite condiii, se pot realiza elemente structurale ductile din BIR, care s satisfac exigenele de comportare din zone seismice.n cazul stlpilor, obinerea unei comportri ductile implic limitarea efortuluiaxial relativ i o bun confinare a miezului de beton. Aceasta din urm se realizeaz mai greu dect pentru betonul de rezisten normal, n sensul c trebuie crescut procentul mecanic de armare i utilizat armtur transversal cu limit de curgere ridicat. De asemenea trebuie avut n vedere tendina mai accentuat a acoperirii de beton de a se desprinde la solicitri intense, i dimensionat seciunea de beton armat n consecin.Calculul la ncovoiere cu sau for axial se poate face pe baza regulilor clasice (ipoteza seciunilor plane), dar cu adoptarea unei diagrame n betonul comprimat diferite de cea folosit pentru betonul normal, sau altfel spus, cu modificarea parametrilor blocului rectangular echivalent. Daca pentru betonul normalaceti parametri sunt unanim acceptai, pentru BIR exist nc diferene de opinii,care pot s duc la rezultate diferite.Dac la ncovoiere cu for axial exist un relativ consens, la calculul la fortietoare sunt abordri destul de diferite, chiar n cazul betoanelor normale.Astfel, rezisten la compresiune a betonului n prezena fisurilor nclinate este luat fie proporional cu rezistena la compresiune, fie cu rezistena la ntindere, iar coeficientul de proporionalitate difer destul de mult ntre diverse coduri de proiectare, drept care rezult diferene notabile ntre rezultatele obinute. Dei cecetrile experimentale arat c exist diferene de comportare ntre betoanele normale i BIR, acest lucru nu se reflect n codurile de proiectare.n cazul cedrii prin ntindere n seciuni nclinate, la solicitri ciclice, exist unrelativ consens privind adoptarea unui unghi de nclinare a fisurii de 45, precum i a unei contribuii a betonului comprimat care scade cu creerea intensitii incursiunilor postelastice.n concluzie, este necesar realizarea unui program experimental, care s ofere date privind comportarea stlpilor i pereilor din BIR, armai cu oelurile disponibile pe piaa romneasc, i dimensionai conform normelor romneti de proiectare, cu eventuale adaptri pentru a ine cont de comportarea specific a BIR.BibliografieACI (1996), 441R-96: High Strength Concrete Columns, 13 p.ACI (1997), 363R-92 reapproved 1997: State-of-the-Art Report on High-StrengthConcrete, 55 p.Proiectarea structurilor din beton de nalt rezisten n zone seismice - Prof dr. ing. Radu PASCU