Majoritatea construcțiilor se rezumă la construcția unor elemente verticale și orizontale care lucrează împreună, sub forma unui mecanism ce transmite încărcările în fundație și implicit în sol. Cam asta urmărim cu o structură, pentru a învinge gravitația și a menține clădirea în picioare cât mai mult timp. Elementele structurale verticale sunt elementele structurale care intră în contact cu fundația. Din fundație scoatem pereți structurali și stâlpi pentru a ajunge la elementele orizontale, precum grinzi, planșee acoperișuri.
Practic, membrii verticali poartă greutatea acoperișului și a fiecarui etaj la fundația de mai jos. Ele trebuie să aibă o rezistență ridicată la compresiune pentru a suporta încărcarea fără să flambeze sau să se strivească. În clădirile din beton armat și din oțel, coloanele sau stâlpii sunt membrii verticali primari. Acestea transferă încărcături din plăci, centuri și grinzi, la fundație. Coloanele și stâlpii sunt esențiale pentru structură, deoarece eșecul lor ar putea duce la prăbușirea progresivă a clădirii. Vom discuta despre fiecare element în parte.
Fundația pe care se rezemă toată clădirea
Fundația unei clădiri este deseori realizată din beton armat, indiferent de materialul ales mai departe. Fiind un element masiv orizontal, fundația are rezistența de compresie necesară pentru a rezista la încărcăturile întregii structuri. Pentru a oferi stabilitate, fundația în sine trebuie să se bazeze pe solul neperturbat, numit sol de fundare. În cazul în care condițiile de sol sunt slabe, inginerii proiectează fundații cu diferite sisteme care pot ajunge la roca de bază, cum ar fi piloți, chesoane, cuzineți, sau prin continuarea în adâncime până la atingerea unui sol stabil.
Aceste fundații adânci oferă stabilitate pentru clădiri extrem de grele, case înalte, case lungi sau cu o formă neobișnuită care poate aduce tendințe de răsturnare. Fundația nu are doar rolul de a transmite forțele vertical în jos, ea mai face și o ancorare a structurii. În partea a treia vom discuta despre factori exteriori și despre ce poate suferi în timpul unei furtuni, unui cutremur sau unei explozii alăturate. Tot mai des se apelează la tehnici constructive care cer o fundare mai bună, pentru a evita deteriorările amenajărilor interioare.
În imaginea de mai sus avem un cuzinet, menit să adune încărcările dintr-un stâlp de dimensiuni mari și să transmită toată forța pe trei direcții, în trei piloni înfipți puternic în sol. Casele sau structurile mici pot folosi aceste tehnici, așa cum am explicat în articolul despre noțiuni generale de fundare pe piloni. Insist cu aceast tip de fundație pentru că reprezintă viitorul și treptat devine foarte accesibilă chiar și constructorilor de ocazie. Putem face același tip de fundație la un gard greu din beton monolit.
Rezistența stâlpilor structurali ai clădirilor
Din fundație ieșim cu stâlpi, care ridică construcția din sol. Acești stâlpi au diferite forme. Unii au profil pătrat, rotund sau oval, iar alții au o formă lunguiață, formând pereți. Indiferent de forma lor, ei au rolul de a rezista în compresiune, dar și la unele forțe de întindere, forfecare, încovoire sau răsucire. Acești stâlpi au acel factor de siguranță despre care vă vorbeam în partea întâi, mai mare. Ei oferă rigiditate structurii și atunci când încărcarea calculată a structurii este depășită. Cu cât stâlpii sunt mai groși cu atât încărcarea totală a clădirii poate fi mai mare.
Îngroșarea exagerată a stâlpilor crește costul de construcție și reduce spațiul util, de aceea stâlpii sunt cuplați cu contravântuiri, diafragme sau alte elemente de rigidizare. Formarea profilului de stâlp este steict legată de dinamica clădirii și de geometria ei. Urmărim o formă care jonglează cu forțele de compresiune, întindere, forfecare, încovoire și răsucire, pentru a obține un raport optim pentru cel mai mic preț. De regulă, toți stâlpii din clădire sunt identici, pentru a răspunde împreuna la solicitări mecanice.
La capatul superior, cât și la cel inferior, stâlpii sunt ancorați în grinzi, centuri, fundații și planșee. Pe de-o parte susțin grinzile și centurile și transmit forțele în fundații, pe de altă parte, stâlpii sunt protejați de forțe laterale de către aceste grinzi și centuri. Spunem că elementele structurale conlucrează și de aceea nu e bine să calculezi elementele de oțel, lemn, cărămidă sau beton, doar ca elemente individuale. Ne place să evităm sprijinirile simple și să apelăm și la ancorări. Asta face o clădire sigură datorită ancorării corecte de stâlpii de susținere.
Rigiditatea grinzilor care susțin planșeele
Stâlpii sunt elemente verticale, care transmit încărcările direct în fundație. Însă, pe clădire avem încărcări pe o suprafață orizontală. Grinda este un element constructiv foarte rigid, care ne permite să adunăm forțele orizontale, inclusiv greutatea ei și a plașeului și să le transmitem în stâlpi. Un stâlp de la demisol sau parter, trebuie să susțină toate etajele de mai sus, în timp ce grinda nu face altceva decât să susține doar încărcările unui singur etaj. Dacă grinda etajului superior cedează, atunci următorul etaj va fi oarecum neafectat, cu unde excepții, în funcție de felul în care cedează grinda de sus. Astfel de evenimente sunt rare, iar clădirea continuă să rămână în picioare.
Grinda se unește cu stâlpul prin rezemare și ancorare sau turnată sub formă de monolit. Transmiterea forțelor în stâlpi, este întotdeauna mai bună la beton armat turnat și oțel sudat, decât la lemn, piatră sau alte metode. De aceea, la clădirile mari, se construiește așa aproape exclusiv. La clădirile mici, unde reparațiile sunt ușoare și soluțiile improvizate, metodele de construcție sunt mai modeste și mai puțin eficiente. Grinzile sunt deseori “lipite” de planșeu la clădirile din beton armat și oțel, în timp ce la lemn sau cărămidă sunt planșee doar rezemate pe grindă. Asta contribuie mult la performanța clădirii și la transmiterea forțelor în stâlp.
O grindă este rezemată pe două puncte fixe și portante, adică suficient de rezistente pentru a susține o astfel de încărcare. Acum vine partea interesantă. Grinda trebuie să fie suficient de rigidă, pentru a nu se curba. Dacă se curbează, ea riscă să cadă, sau “să se tragă”, de pe unul din cele două puncte pe care se sprijină. Aici este o comparație asimetrică cu betonul armat sau grinzile sudate de structură, care s-au dovedit a fi cele mai performante sisteme, cele mai sigure și cele mai ieftine pe metru pătrat de construcție, fiind vorba și de clădiri multietajate.
Centura este grinda din margine
Un element important și neînțeles de către constructorii neexperimentați este centura. Înainte să existe structuri din oțel și beton armat, omenirea de baza pe cărămidă. Folosesc termenul de cărămida ca un bloc repetitiv de material de construcții, confecționată din argilă arsă, pământ sau piatră. Indiferent de materialul utilizat, constructia avea cam aceeași problemă. Când se exercitau forțe de compresiune asupra structurii, pereții aveau tendința să se deplaseze spre exterior. Soluția pentru această problemă era amplasarea unui toron de oțel, prezăzut cu un element de ancorare.
În imaginea de mai jos avem un astfel de element de oprire, care nu lasă peretele să se deplaseze spre exterior. O clădire de cărămidă sau piatră, fără pereți exagerat de groși, va fi plină de astfel de ancore. Este ca un fel de curea, în jurul structurii, care nu lasă anumite elemente structurale să se întindă spre exterior. Centura este pentru clădire, așa cum etrierul de oțel este pentru stâlpul de beton armat, dacă are sens pentru cineva această comparație. Centura poate fi confundată ușor cu o grindă și numită incorect grindă, dar ea nu face doar ce face grinda, mai face și ceva în plus.
Forțele exercitate pe centură sunt și gravitaționale, dar și laterale. Pentru că centura împiedică pereții să flambeze spre exterior, deseori o să punem peretele, structural sau nestructural, exact deasupra centurii. Practic, centrul de greutate a peretelui trebuie să coincidă cu punctul de simetrie structurală a centurii, ca să nu existe tendințe de răsucire a centurii. Această centură va înconjura întregul etaj, la fiecare etaj, și nu va putea fi întreruptă sub nicio formă sau motivație. Centura este deseori turnată împreună cu planșeul, pentru o legătură absolută, conlucrând cu el.
Toate cad în suprafața planșeului și pe planșeu
În ciuda faptului că până acum v-am explicat despre o grămadă de elemente constructive, ele sunt deseori ascunse în pereți, sub rigips sau sub termoizolație. Planșeul este însă un element structural vizibil, dar greu de imaginat ca element separat. Pentru mulți este ca suprafața pământului sau ca un drum între niște pereți. Până la urmă, pe beneficiar îl interesează rigiditatea și suprafața acestul element și nimic altceva. Fundația, stâlpii, grinzile și centura sunt doar o uneltă de a ajunge în siguranță și sub buget la această suprafață a planșeului.
Uneori mai auzim de termenul de placă, pentru că în vremurile comuniste, când se construia cu prefabricate de beton armat, planșeul era practic o placă din beton armat, montată pe șantier, nu turnată. Era un produs, nu neapărat un element structural. Însă elementul structural se numește planșeu, nu placă sau pardoseală, iar el preia toate încărcările de pe suprafața unui etaj și le transmite mai departe în grinzi, centuri, stâlpi sau diafragme. Uneori planșeul nu este încărcat, când încărcările sunt ancorate direct în stâlpi și pereți structurali.
În imaginea de mai sus avem un planșeu turnat în tablă ondulată și susținut de grinzi și stâlpi de oțel. În lipsa pereților, se poate observa că toate încărcările de pe planșeul de sus, vor ajunge în grinzi și apoi în niște stâlpi. La rândul lor, acești stâlpi vor prelua încărcarea și o vor da mai departe fundației. În funcție de grosimea, materialul și încărcarea planșeului, el va fi susținut mai des sau mai rar de către grinzi. Cam atât despre partea a doua, să trecem la a treia parte și cea finală, unde vom discuta despre factori externi ce doresc să ne pună clădirile jos.