Materialele de construcții se dilată și se contractă când se încălzesc și respectiv se răcesc. Contractarea şi dilatarea reprezintă o micşorare sau mărire a volumului materialului odată cu variaţia de temperatură. Cea mai mare schimbare dimensională are loc între iarnă şi vară. În contextul structurilor, aceste mișcări mecanice trebuie limitate sau anticipate. Motive de îngrijorare enorme apar deseori la poduri şi diguri, dar și la structuri rezidențiale. Chiar dacă efectele sunt mai puțin vizibile imediat după terminearea construcției, ele vor apărea.
Este util să înțelegem cum să evităm fisurile şi ce să nu facem în încercarea de a rezolva problema crăpăturilor. În articolul 1n-cu3and – Despre termoizolaţia clădirilor, a casei și a blocurilor am explicat cum ne poate ajuta termoizolația în acestă situație. La construcția clădirilor rezidențiale nu prea se ține cont de aceste aspecte. Pentru mulți proprietari cu case fără mare valoare nu este un lucru prea important. Fisurile sunt mascate cu un nou glet la fiecare 3-5 ani și totul este în regulă. Finisajele de valoare precum tapetul sau picturile, au nevoie de o suprafață fără crăpături. Chiar și unele lambriuri de calitate au pretenția asta.
De ce ne interesează dilatarea materialelor de construcții?
Motivul pentru care ne interesează cu cât se dilată sau se contractă un material este că dorim o construcţie de calitate. Să luăm situația unui zid de BCA amplasat lângă unul de beton armat, într-o clădire izolată necorespunzător sau neizolată, pe timp de iarnă. Zidul de beton armat se va contracta mai mult comparativ cu cel de BCA și vor apărea fisuri între tipurile de materiale. Aceste componente ale construcției se vor mișca diferit. În construcţii se folosesc plase de plastic pentru a limita crăpăturile sau vizibilitatea lor. De exemplu, între un material moale şi unul tare. Această plasă este făcută dintr-un polimer foarte rezistent la tensiune, ca o armătură.
Plasa se poate opune unei oarecare tensiuni ce poate cauza fisuri care vor fi din ce în ce mai evidente cu trecerea timpului şi cu repetarea ciclului rece-cald/iarnă-vară. În cazul materialelor de construcții cu o rezistenţă mare, precum betonul armat sau metalele, trucul cu plasa nu mai merge. Adică nu mai putem limita crăpăturile în mod eficient. Avem nevoie de o anticipare ale mișcărilor fără să mai sperăm la oprirea lor. Se va calcula un interval de spațiu pentru modificare dimensională. Apoi vom amplasa un rost de dilatație. Acest rost poate însemna un spațiu umplut cu silicon, sau cu cauciuc.
Pentru clădirile de dimensiuni mari și lungi, este nevoie de o rost stil pieptăn, care maschează gaura mare creată în timpul anotimpului rece. Aceste rosturi de dilatație sunt deseori utilizate la poduri și la structuri lungi. Recomandarea mea este să termoizolați bine clădirea în primul rând, iar apoi să încercați anticiparea crăpăturilor. Majoritatea clădirilor rezidențiale nu sunt structuri prea mari sau prea lungi, dar pot fi dacă vorbim despre case cu multe camere sau de mai multe locuințe dispuse într-un singur corp de clădire.
Cât de puternică este forţa de dilatare sau contractare a materialelor de construcţii?
Forța cu care materialul împinge sau trage este una extraordinar de mare. Am să explic în continuare cam cât de mare. La noi în ţară temperaturile medii lunare oscilează între 23°C şi -5°C, cu extreme între -40°C şi +50°C. Ca urmare ale acestor diferențe de temperatură vom avea o variație de 28 până la 90 de grade Celsius. În calcul vom considera valoarea cea mai mare. Vorbim despre o clădire cu exploatare îndelungată de peste 100 de ani. Probabilitatea ca acestă locuință să apuce vremuri foarte calde sau foarte reci este destul de mare. Trebuie să alegem un material de construcții pentru a exemplifica valoarea forței.
Vom discuta un pic despre capacitatea oțelului de a trage când este răcit. Forțele exercitate de majoritatea materialelor de construcții nu sunt chiar așa de mari, dar a betonului este oarecum comparabilă. Înainte că existe sudura electrică, se foloseau nituri. Aceste nituri era foarte rezistente şi conectau etanş două sau mai multe plăci de oţel prevăzute cu găuri. Vase uriaşe din oţel, recipiente sub presiune, poduri, turnuri, locomotive, etc., erau ansamblate cu nituri de oţel. În imaginea de mai jos avem un vas pentru presiune confecționat cu nituri.
Principiul de funcţionare a nitului seamănă cu cel a şurubului prin faptul că el strânge. Diferenţa ar fi că forţa de strângere are o implicaţie mecanică în urma unei schimbări de temperatură. La instalarea nitului el este foarte fierbinte, cam 600 grade Celsius. Deci este foarte dilatat, iar acel moment este perfect pentru blocarea lui între plăcile de oţel prin lăţirea capetelor. Însă nu câteva lovituri de baros etanşa plăcile, ci forţa mecanică enormă a contractării atunci când nitul se răcea. Aceeași forță imensă acționează și asupra stâlpilor, grinzilor sau a barelor de armătură. Chiar dacă distanța de dilatare și contractare este mai mici. Despre asta vom discuta în continuare.
Cu ce forță se dilată o bară din oțel?
Să presupunem că bara va avea lungimea de 12 m şi diametrul de 25 mm. Am mai presupus că am pus-o într-un beton care are o valoare de termoizolare neglijabilă. Bara noastră va simți toate temperaturile exterioare, chiar dacă ea nu vede lumina zilei, fiind îngropată în beton. Dacă ea nu este încercuită de un beton care să o poată ţine în loc, ea se va modifica dimensional. Asta înseamnă că dacă avem o variație de 80 de grade Celsius, adică de la -40 la +40 de grade Celsius, bara se va modifica dimensional pe lungime cu 10,5 mm. Adică destul de mult, chiar dacă avem o lungime așa de mare a barei.
Spuneam mai sus că oţelul se contractă când este rece şi se dilată când este cald. Dacă bara este băgată în beton când este caniculă, ceea ce se întâmplă de obicei, ea va avea lungimea de 12,005 m. Aceeași bară, se va contracta iarna cu 10,5 mm. Ceea ce înseamnă 86.350 N, adică 8.635 kgf sau 8,635 tf (tone forţă). Pentru a reuşi să ţii bara, beton trebuie să fie destul de puternic în compresiune ca să preia o încărcare de 8.635 kgf pe timp de iarnă. În realitate, motivul pentru care noi armăm unele betoane cu oțel este că betonul are un coeficient de dilatare apropiat cu cel al oțelului.
Mai sus avem o imagine care arată un astfel de fenomen în timpul unei veri foarte călduroase. Este util de ştiut că agregate de carieră închise la culoare, înseamnă că acele agregate sunt bogate în fier. Coeficientul de dilatare al acelui beton tare şi dens se apropie de coeficientul de dilatare al oţelului. Cu cât coeficientul de dilatare ale celor două materiale este mai apropiat, cu atât apariţia fisurilor este mai mică. Betoanele compuse din diorit, bazalt și granit au un coeficient de dilatare mare. Cele făcute cu calcar au un coeficient de dilatare mic.
Cum evităm efectele dilatării termice
Pentru a evita efectele mișcării de dilatare și de contractare a materialului cu care construim, este recomandat să avem rosturi de expansiune acolo unde este posibil. În imaginea de mai sus era foarte posibil. Doar că nu s-au făcut, ori erau insuficiente. Adevărul este că arată destul de urât acele rosturi şi ar fi convenabil dacă am putea să le facem tot mai rare, mai ales la drumuri de viteză. Când contruim clădiri mici, precum locuinţele, este posibil să le evităm. Anveloparea termică a clădirii ne aduce la o variaţie dimensională mai mică.
Astfel putem calcula care este nivelul maxim de stres mecanic suportat de materialul de construţii, fără să crape. Apoi dimensionăm termoizolaţia în concordanţă cu variaţiile termice medii de peste an în acea zonă. În felul acesta limităm efectele în trei trepte aplicate în ordine. În prima treaptă limităm variația de temperatură între vară şi iarnă, prin termoizolația structurii. A doua treaptă presupune folosirea unui material de construcție care nu se dilată prea mult. Iar ultima treaptă, încercăm să construim atunci când temperatura este între extreme.
De exemplu, putem să construim când temperatura este între 15 şi 20 grade Celsius. Astfel evităm punerea materialului în formă când sunt 40 de grade Celsius afară sau -10 grade Celsius. Cred că am punctat fenomenul de mișcare a diferitelor materiale de construcții. Important de știut este că orice material de construcții va avea un coeficient de dilatare, fie el și foarte mic. În articolul 1n-cu3and – Rosturi de dilatare termică pentru diferite tipuri de construcții am exemplificat mai multe tipuri de rosturi de dilatare pentru diferite situații.