Ca o recapitulare a primelor două părți din această mini serie, am vorbit despre cum funcționează o clădire și felul în care o clădire reușește să rămână în picioare printr-un mecanism care sfidează gravitația pentru o perioadă lungă de timp. În prima parte am vorbit despre principii de funcționare, iar în a doua parte am discutat concret despre elementele structurale care fac posibilă aplicarea principiului de funcționare și obținerea unui rezultat practic. Practicalitatea fiind observată la majoritatea clădirilor construite vreodată pe lumea asta.
Încărcările structurale provenite din mediu natural sunt cauzate de forțele naturii, iar acestea sunt destule. Spre deosebire de alte sarcini statice sau dinamice, ele nu sunt întotdeauna influențate de gravitație. Direcția lor nu este în mod constant verticală. De fapt, nimic nu-i constant despre încărcările din mediu. Acestea includ mișcări seismice, greutatea zăpezii, presiunea vântului, precum și extinderea și contracția cauzată de modificările exterioare de temperatură. Le vom lua pe fiecare în parte și vă voi explica felul în care reușește o clădire să stea în picioare și în prezența lor.
Proiectarea unei structuri pentru încărcările seismice
Încărcările provenite de la un cutremur sunt foarte variante, schimbând dinamica clădirii de la o secundă la alta. Astfel, apar un tip de forțe inerțiale laterale pentru care noi nu prea ne-am pregătit clădirea, pentru că gravitația acționează vertical, nu orizontal. Structura de rezistență a clădirii este incapabilă să reziste acestor sarcini laterale fără o rigidizare adecvată, care să transforme forțele orizontale, în forțe verticale, ca să putem scăpa de ele prin fundație și în sol. Aici iar apar avantajele unei fundații cu piloni sau pe chesoane.
Armarea clădirilor și existența pereților de forfecare, sunt cele mai utilizate metode de a combate forțele laterale rezultate în urma cutremurelor la clădiri rezidențiale. În mediul industrial, unde majoritatea structurilor sunt confecționate din oțel, se utilizează elemente de rigidizare și contravânduiri. În mediul comercial se alege o combinație între cele două, cu precizarea că ele vor răspunde similar încărcărilor. În afară de a avea o armare împotriva efectelor cauzate de forțelor laterale, clădirile din regiunile active seismic trebuie să fie bine ancorate în fundațiile lor.
Prin această măsură simplă îi asigură clădirii stabilitate, iar pereții rămân pe fundații fundațiile în timpul mișcărilor de sol. Clădirile construite din zidărie, cum ar fi cărămidă, piatra sau blocurile de beton, trebuie să aibă elementele de zidărie armate. Mortarul care lipește zidăria, nu este suficient de puternic pentru a rezista încărcăturilor laterale, care crează momente extreme de compresiune și tensiune asupra mortarului de zidărie. Mișcările de tensiune în zidărie fiind cele mai distructive.
Pregătirea unei structuri de rezistență pentru încărcarea cu zăpadă
Acumularea de zăpadă impune o sarcină pe structura acoperișului și uneori chiar asupra pereților exteriori, în funcție de forma clădirii. Pentru a preveni prăbușirea acoperișului, structura sa trebuie să fie suficient de puternică pentru a rezista la greutatea zăpezii, a gheții și a vântului care acționează în plus pe suprafața masei depuse. Un pic mai jos o să vorbim și despre vânt. În practică, un inginer are o hartă cu mediile istorice și pregătește clădirea corespunzător. O clădire în Iași sau Galați va avea o încărcare aproape dublă față de o clădire în Arad sau Constanța.
Forma acoperișului este un alt factor care influențează semnificativ încărcarea cu zăpadă. Panta acoperișului joacă un rol important. Cu cât este mai abruptă, cu atât zăpada se acumulează mai puțin, protejând structura din sarcini suplimentare. Acoperișurile plate au avantajele lor, dar ajută la menținerea zăpezii pe acoperiș și implicit încarcă suplimentar clădirea și pe o perioadă mai lungă de timp. Acestea fiind spuse, acoperișurile plate vin cu încărcături moarte mai mari, care necesită membri mai puternici și un cost mai ridicat.
Nu am o imagine cu o clădire prăbușită de zăpadă, dar vreau să vă arăt niște elemente de infrastructură, aproape puse la pâmânt în timpul iernii. Puteți observa că stâlpii sunt încă întregi, dar fundația a eșuat din cauza încărcării exagerate, încărcare pentru care stâlpul nu a fost proiectat. La case lucrurile stau la fel. Încărcarea cu zăpadă este uneori pentru strâmbarea clădirii, prin tasări inegale. Acest lucru se poate întâmpla an de an sau într-un an cu căderi de zăpadă mai serioase.
Protecția clădirii la încărcările cu vânt
Forțele generate de vânt asupra clădirii pot crea mai multe scenarii de încărcare, în special pentru clădirile înalte, despre care nu vom discuta aici. Unele părți ale clădirii sunt vulnerabile la o presiune ridicată a vântului, în timp ce altele sunt supuse unor fenomene de aspirație sau cicloane formate pe lângă clădire. Uneori se pot auzi aceste efecte când stați în casă, în timpul iernii sau a unor furtuni. Deoarece aceste sarcini sunt orizontale, iar structura de rezistență este pregătită pentru încărcări verticale, majoritatea clădirilor nu au un mecanism adecvat de apărare împotriva vântului.
În structura de rezistență trebuie să includem elemente de rezistență laterală, așa cum am discutat despre contravântuiri când avem mișcări seismice. Înte-un articol precedent am discutat despre streașină și despre importanța acestui aspect la un acoperiș. În imaginile atașate acolo o să observați că sunt elemente structurale care susțin acele părți ale acoperișului, dar care le și ancorează pentru a combate acțiunile vântului asupra unor elemente fragile de acoperiș. Pe lângă faptul că vântul exercită forțe asupra structurii, el mai smulge și unele elemente nesecurizate.
Pentru a limita efectele vântului, inginerii pot adăuga greutate în partea superioară a structurii sau pot crea deschideri pentru a disipa forțele create. Sunt unele clădiri care acționează ca o parașută, iar vântul le smulge pur și simplu din fundații sau le rupe elementele structurale. Uneori, clădirile ușoare sau cele temporare, sunt clădiri care lasă vântul să treacă prin ele, pentru că au o structură de rezistență ce nu poate rezista la acele forțe. Sunt foarte multe accidente când construim barăci din tablă și nu le armăm ori ancorăm corespunzător în sol.
Efectele termice exterioare resimțite în structura de rezistență
Materialele de construcție reacționează la schimbările de temperatură prin dilatare când temperaturile cresc și prin contractare atunci când temperaturile scad, așa cum am discutat în dilatarea anumitor materiale de construcții. Aceste cicluri de dilatare și contractare supun structura de rezistență la unele sarcini mecanice și pot provoca deteriorarea lor. Cel mai bun exemplu este la beton, care se poate fisura când se exercită tensiuni rezultate din contractare, dar și la cele din dilatare când nu este conținut în mod corespunzător. Deși toate materialele suferă de aceste efecte termice, unele sunt mai predispuse ca altele.
Pentru a absorbi mișcarea cauzată de expansiune și contracție, inginerii includ îmbinări de dilatare în structura clădirii sau combină niște materiale care au aproximativ același coeficient de dilatare și contractare. Aceste dispozitive adaugă flexibilitate la o structură altfel rigidă, limitând astfel fisurile și deteriorarea. În urma anvelopării clădirilor, pe lângă unele urmări negative asupra structurii, există și unele pozitive. O clădire termoizolată va avea dilatări și contractări mai mici, comparativ cu o clădire identică neizolată, iar degradarea în timp este încetinită.
În imaginea de mai jos o să putem înțelege fenomenul mai bine. Pardoseala de beton a fost prevăzută cu rosturi de dilatație pentru a preveni fisurile necontrolabile. Aceste rosturi induc fisurile acolo unde se dorește, pentru a le ascunde și a le limita. Dacă nu putem limita fisurile, atunci vom permite fisura într-un loc anume. Am încheiat și această mini serie de informații. Sper să vă fi dat mai multă înțelegere despre cum se comportă o clădire sau o casă. Cu siguranță voi repeta aceste noțiuni și în alte articole, dar aici sunt scrie cap la cap pentru a face cel mai mult sens.