CADRE PORTAL

1. Tipuri de forme structurale si elementele componente

2. Nodurile structurale

3. Elemente de calcul si proiectare si detalii

4. Fundatii

Elementele structurale si nestructurale ale cadrelor portal: 1)-Invelitoare din tabla cutata sau panouri sandwish cu termoizolatie; 20- Stalpi si grinzi de cadru; Roof sheeting or decking (sandwich panels); 3)- Grinzi ce sustin elementele de inchidere laterala; 4)-Pane de acoperis; 5)- Panouri de perete

Constructii curente dedicate activitatilor diverse din economie: ateliere de confectii metalice si de productie in industrie, depozite, centre de vanzare en-gross, constructii din sfera industriei mecanice si de masini, diverse.Sunt extrem de versatile ca dimensiuni si variante structurale : deschideri de 12 m….60 m si travei de 4…10 (12) m insa eficienta lor se situeaza in sfera de deschideri de 20 m…30 m si a traveilor de 4…6 (8) m;

Sectiunea stalpilor si a grinzilor poate si constanta insa din conditii de rezistenta se utilizeaza sectiunile variabile

Stalpii

Prinderi rigide in fundatii

Prinderi articulate

Grinzile transversaleCu noduri rigide

Articulate; in special articulatia este dispusa la coama

a)- deschderi medii si mari; b)- grinda de cadru cu sectiune variabila curbiliniu

c)-solutie cu plansee intermediare;

d)- cu grinzi de rulare (stalpi cu console)

e)- solutie cu doua deschideri egale

f)- cadre cu doua deschideri neegale

g)- grinda de acoperis cu doua pante ; h)- cadru cu stalpi si grnzi cu sectiune variabila liniar ( sectiuni sudate din tabla groasa)

Tipuri de structuri curente de cadre portal cu una sau doua deschideri

SISTEME STRUCTURALE

• Pentru deschideri sub 20 m span si travei sub 9 m;

• Sistemel sunt similare cu cele utilizate la arce

• Cadrul cu trei articulatii este o structura determinata static momentele incovoietoare si deformatiile din apex sunt cele mai mari ; avantajul este ca nu sunt sensibile la tasari de teren.

• Cadrele cu noduri rigide cele mai mici valori ale momentelor incovoietoare;

• Cadrele cu doua articulatii ca si cele cu noduri rigide implica aparitia unor impigeri laterale importante pe linia nasterilor asadar micile deplasari orizontale la acest nivel genereaza modificari importante ale eforturilor sectionale in cadru (redistribuiri de momente incovoietoare)

In cazul fundatiilor in terenuri dificile de fundare sunt preferate articulatiile la baza stalpilor; atunci cand impingerile laterale devin prea mari se pot utiliza solutiile cu tirant plasat intre cele doua baze ( in pardoseala cladirii) .

Acestea pot fi:

-sectiuni laminate la cald sau grinzi cu inima plina sudate, cu sectiuni constante in lungul elementului sau variabile;

-sectiuni compuse deschise (cu doua inimi) sau inchise sudate (cheson). Nodurile (incastrari) dintre grinzile transversale si stalpii structurii pot rezulta de dimensiuni mai mari decat sectiunile curente ale celor doua elemente structurale; in zona nodului si pe portiuni mai mari de grinda este necesara de regula dispunerea rigidizarilor transversale si in acelasi timp talpi mai puternice in zona inferioara a sectiunii grinzilor (uneori si a stalpilor); – O solutie de a rationaliza consumul de material si a reduce deformatiile este utilizarea otelurilor cu rezistente sporite (frinzi cu inimi suple); - Grinzile transversale trrebuie asigurate la instabilitate laterala prin fixarea panelor de acoperis. In cazul in care elementele de acoperis sunt pozitionate direct pe talpa superioara a grinzii de cadru (sau atunci cand prezenta luminatoarelor intrerupe dispunerea panelor talpa superioara a grinzii transversale trebuie intarita (sectiunea 2-2, pozitia k pe figur alaturata). Diverse forme si sectiuni de grinzi de cadru si stalpi

ELEMENTELE STRUCTURALE ALE CADRELOR PORTAL

k l

La pozitia h) din figura alaturata grinzile cadrele portal cu tiranti au conditii de rezemare diferite: la un capat articulatie iar la celalalt incastrare. Solicitarea necunoscuta din legatura suplimentara este dirijata in tirant:

In cazul in care un reazem cedeaza impingerea este egala cu deplasarea reazemelor; in acelssi tmp, rigiditatea stalpilor diminueaza tensiunea in tirant:

11 111

1

1111 )(

EI

hK1111 X

Proiectarea nodurilor de cadru

Nod rigid de peferinta sudate, prin taiere cu flacara oxiacetilenica, prelucrarea marginilor si sudarea in fabrica cu preincalzirea pieselor componente by cutting the hot rolled profiles with flame and processing the edges after heating. Se utilizeaza atat sudurile de adancime cat si cele de colt ( se sudeaza pe placa suport). La sectiunile sudate intervin curent nervuri si rigidizari transversale pe intreaga inaltime a sectiunii atat pe stalp cat si pe grinda Momentele incovoietoare au valori maxime in nodurile de cadru; este necesar frecvent sa se intareasca sectiunea.

NODUL DE COAMA

Imbinare cu suruburi intre cele grinzi tranversale:

1-placa de capat; 2)- zona de intarire a grinii transversale; 3)- sectiunea curenta a grinzii transversale; 4)-sudura dintre talpa grinzii tranversale si placa de capat; 5)- sudura dintre inima grinzii tansversale si placa de capat; 6)- suruburi solicitate la forfecare; 7) – suruburi intinse

A-zona intinsa; B-Zona forfecata; C-zona comprimata

NODUL INTRE STALP SI GRINDA

Prinderea rigida dintre stalp si grinda de cadru:

I- Grinda transversala trebuie sa fie intarita pentru a capata o rigditate corespunzatoare preluarii momentului de pe nod;

II- In rile zona intinsa deasupra axei neutre suruburile preiau forta de intindere din imbinare; in zona comprimata se impune ca inima stalpului sa fie intarite pentru a preveni voalarea locala

REGULI SPECIFICE PENTRU PROIECTAREA NODULUI DINTRE STALP SI GRINDA

• Verificari de rezistenta si stabilitate poate rezulta o intarire a inimii grinzii in zona de imbinare prin ingrosare sau prin cresterea inaltimii; rigidizarile transversale (nervuri) pe toata inaltimea inimii sunt de asemenea recomandate;

• Bisectoarea unghiului de intersectie dintre grinda si stalp este linia dupa care se dirijeaza tensiunile interne de forfecare; de-a lungul acestora se vor dispune rigidizari de cate ori ele sunt necesare pentru a prelua excesul de tensiuni de forfecare;

• Nervurile (uneori simple gusee) se dezvolta pe intreaga zona comprimata, depasind linia axei neutre;• Nervurile plasate la capatul zonei de variatie a inaltimii grinzii sunt de fapt diafragme pe care inima

grinzii (sau a stalpului) se sudeaza cu sudura de adancime sau in relief;• Prinderile cu suruburi sunt folosite la nodurile dintre grinzi si stalpi la cadrle pportal atunci cand

solicitarile interne nu sunt atat de mari si cand conditiile de transport si de montaj in santier sunt corespunzatoare.

I

yM

A

P

Zona de nod:a) tensiuni pe talpa in zona nodului; b) tensiuni pe talpa si inima grinzii la legatura cu nodul

Inima din zona nodului tinde sa se scurteze de-a lungul liniei a-c

Formula lui Vierendeel pentru grinzi cu sectiune variabila

HA

AHH

A

AH

ATAT

ii

iii

;

;

00

000

In relatie intervin fortele axiale rezultate din momentul incovoietor ce actioneaza in talpa exterioara (T 0) respectiv cea interioara (Ti). De asemenea componentele rezultate din fortele axiale din grinda se transfera la axele talpilor superioara (H 0) /inferioara (Hi):

Se poate considera ca acoperitor ca talpile grinzii preiau intregul moment de incovoiere din nod, M si transmit impingerea rezultata, H in timp ce inima transmite forfecarea.

unde:σ0, σi – tensiunile medii rezultate din incovoiere pe talpilr exterioara/interioara

nodului;A0, Ai – aria sectiunilor transversale ale talpii exterioare/interioare

Grinda induce o forta de intindere in talpa superioara T0 – H0 , respectiv compresiune in talpa inferioara,TI + HI pe

perimetrul nodului.

HAA

AH

HAA

AH

d

MTT

ii

i

i

0

0

0

00

0

Icand forfecarea se transfera de la talpi la inima prin intermediul sudurilor in relief in lungul grinzii (grinzi cu inima plina sudate) aceasta sudura se verifica la tensiuni de forfecare:

Impingerea de la limita superioara a inimii in nod T este egala cu T0-H0, in timp ce la limita inferioara este egla cu (TI + HI)-H .Since (TI + HI)-H = TI +HI – (HI +H0) =TI – H0=T0 – H0. Asadar fortele de forfecare de pe zonele de limita a placii inimii sunt egale, Inmod similar, celelate margini verticale sunt solicitate tot la forte egale.

unde: T- impingerea totala din talpa;L- nodului pe care se dezvolta sudura;t- grosimea inimii;aw- grosimea cordonului de sudura.

d,vwww

w fa)a2L(2

T:so;

tL2

T

• Experimentarile au pus in evidenta faptul ca nu exista tensiuni de intindere in coltul extrem exterior al nodului de cadru, intu-cat eforturile se transmit direct pe linia diagonala in nod> Forta de intindere variaza uniform in talpi pe zona noduluide la maxim pe suprafata de contact cu grinda (stalpul) si devenind 0 la coltul extern.

• Fiecare din fortele de pe talpi se transmite in inima din zona nodului aceasta fiind singura zona de transfer a fortelor interne de la grinda la stalp; asadar noudl este solicitat foarte puternic la forfecare.

• Forfecarea se dezvolta egal pe perimetrul noduluiThe shear forces in the top and bottom edges of the web plate are equal.

• In concluzie dimensionarea nervurilor (diafragme) diagonale din nod se face considerand ca acestea preiau tensiunile ramase ne-echilibrate de reistenta la forcfecare a inimii.

• La colturile care nu au sectiuni marite Ad se determina din conditia de echilibru pentru fortele ce actioneaza la contactul dintre nod si grinda de cadru

cos3

00

M

yd

M

ywwc

wr

fA

fth

h

M

REGULI SPECIFICE PENTRU PROIECTAREA NODULUI DINTRE STALP SI GRINDA

COLTURI DE CADRU CU SECTIUNI MARITE 20'

210'

1d 45sinC45sinCF

0

00

Mydd

Myf2'2Myf1

'1

/fAF

/fAC;/fAC

ff AA 21 fd AA 75.0Usually: and:

PENTRU θ1 SI θ2 > 120 aria din zona racordata este solicitata la fel ca si zonele adiacente din stalp si din grinda de cadru.

RELATII DE CALCUL UTILIZATE IN PROIECTARE

Pentru inimi din placi rectangulare de grosime egala t Osgood / / ia in consideratie starea de echilibru dintr-o placa rectangulara incarcata cu fortele s I momentele din figura:

xyxyyxzx FF2bMFF2aM

by;ax

by;ax

Tensiunile normale σx si σz de-a lungul limitelor:

variaza liniar

Iar de-a lungul limitelor: sunt nule

Functia de tensiune Airy f(x,y )ieste utilizata astfel pentru determinarea lui σx si σz

2

xy

2

yxyx

22

x

2y

4

3

y

2y

4

3

M3

bF

d

cy

M3

aF

b

bx

2

xy

2

yxmax 2

Tensiunile principale in plan din zona nodului vor fi astfel determinate:

Tensiunea maxima apare in coltul intern al nodului: x=+a; y=+b.Tensiunea maxima de forfecare din inima va apare in punctul de coordonate :

Aceasta se determina cu relatia:

Punctul cu cea mai mare tensiune de forfecare este forate aproape de centru inimii :

bbaa

c

I

tb

I

ta

abt

M

331

4

22

In relatie Mc este momentul din partea interna de pe coltul de cadru;Ia -a– momentul de inertie a nodului dupa axa orizontala incluzand si aportul talpilor si al inimii;Ib-b- momentul de inertie similar dupa axa veritcala

aVbHMM c 0

NODURI DE CADRU CURBATE

cr

r

U

cM

Ar

M

A

N

Conform relatiei Winkler-Resal

N- forta iaxiala;A- sectiunea transversala prin bara curba;M- momentul aplicat barei;r- raza de curbura in A.N. a barei;c- distaanta de la A.N. la fibra considerata; pozitiva inspre exteriorul barei (in sus) si negativa spre interior (in jos);U- numar analog cu momentul de inertie, I care poate fi inlocuit cu acesta din urma pentru raze de curbura r > 2d, unde d este inaltimea inimii barei cu sectiune I:

dAcr

crU

A

2

A

w

wbrrUi

2

12 log30258.2pentru r< 2d si sectiune de grinda cu inima plina:

o

exto

i

i

r

cA

r

cAIU

22int

8.1...4.1d

rIU )05.1...15.1(

tR

Cr

o

exto

i

i

r

cA

r

cAIU

22int

o

o

i

i

cr

c

U

rM

Ar

M

A

N

cr

c

U

rM

Ar

M

A

N

Distributia tensiunilor radiale σr in talpa inferioara a barei curbe si medierea valorii, r

Simbolurile si modul de determinare a tensiunilor radiale si tangentiale in talpa inferioara a uni bare curbe cu sectiune I: a)- determinarea tensiunii σr; b)- determinarea tensiunii σt

r

b

0t

'

'

dx

b

316.1k);k(f'b

'b f

2'

rtb

frdsrt'b

2d

rt'b22

dsinrt'b2N

dsbN

p 'r

R

tp r

r

2)b(

Rt

M2'

rt

2t

f

tt

t1

M6WM

tr2t

2rechiv

DETALII SPECIFICE NODUTRILOR DE CADRU CURBE NODURI DE COAMA LA CADRE PORTAL

CAPITELUL CADRELOR CU NODURI ARTICULATE STALP-GRINDAFUNDATIILE STALPILOR CADRELOR PORTAL

Zona de nod si capitel la nodul articulat stalp-grinda

Prindere articulata in fundatie la cadre cu inima plina

Prindere rigida in fundatie la stalpii cadrelor cu inima plina

Rolul suruburilor la o baza de stalp articulata

Rolul suruburilor la o baza fixata rigid in fundatie

Baza de stalp supusa la compresiune mare si momente reduse

Baza de stalp supusa la compresiune moderata

si momente de incovoiere mari

Solutii care asigura stabilitatea laterala impotriva fenomenului de incovoiere-rasucire a grinzilor de cadru ce apare la talpa inferioara (in

compresiune in zona nodului): contrafise (legaturi) intre talpa inferioara a panelor de streasina si

rigidizarile transversale lungi dispuse pe inima grinzii