Prezentul articol aduce în discuție necesitatea, utilitatea și condițiile de utilizare a dispozitivelor mecanice pentru asigurarea continuității armăturilor în lucrările civile din beton armat. Sunt prezentate metodele folosite pentru realizarea îmbinărilor armăturilor, cerințele de performanță prezente în reglementările tehnice aflate în vigoare, cerințele privind metodele de încercare a unor astfel de dispozitive, precum și teste efectiv realizate.

Progresul tehnic și cerințele arhitectural-funcționale tot mai ridicate conduc la provocări din ce în ce mai mari în domeniul proiectării construcțiilor. În consecință, prin cercetări teoretice și programe experimentale, tehnologiile moderne își fac loc pe piața emergentă a construcțiilor din România. Inginerii proiectanți trebuie să fie deschiși în implementarea acestora însă acest lucru trebuie realizat doar pe baza unor fundamente solide care trebuie să fie în concordanță cu reglementările tehnice aflate și ele în schimbare.

Proiectarea structurilor din beton armat în zone seismice se bazează pe câteva concepte de bază. Astfel, sistemul structural trebuie să fie înzestrat cu o capacitate suficientă de rezistență concomitent cu obținerea unor performanțe de disipare a energiei seismice (ductilitate) în zonele proiectate special în acest sens. Astfel, armătura proiectată trebuie să reziste eforturilor de proiectare la care este supusă și, în același timp, trebuie să prezinte capacități adecvate de deformare postelastică în zonele critice.

Armăturile sunt de regulă livrate și fasonate în bare de lungime limitată (cel mult 12m). De asemenea, tehnologia de execuție impune utilizarea unor lungimi relativ reduse. Pe de altă parte trebuie asigurată continuitatea transmiterii eforturilor prin înnădirea barelor. Aceasta se poate realiza prin trei metode:

• înnădirea prin suprapunere – este metoda cea mai frecvent folosită și se bazează pe transmiterea eforturilor de la o bară la alta prin intermediul betonului;

• înnădirea prin suprapunere sudată – se bazează pe transmiterea eforturilor de la o bară la alta direct prin cordoanele de sudură;

• înnădirea cu dispozitive mecanice – transmiterea eforturilor se realizează diferit, funcție de tipul de dispozitiv ales:
  • Mufe filetate care se înșurubează pe capetele filetate ale barelor;

• Piese semicilindrice sau cilindrice din oțel moale care sunt sertizate pe cele două bare;

• Manșoane cilindrice cu diametrul interior mai mare decât al armăturilor și turnarea unui aliaj ușor fuzibil între bară și manșon – sunt utilizate mai ales pentru structuri prefabricate;

Se pune întrebarea dacă îmbinările barelor de armătură cu ajutorul dispozitivelor mecanice sunt mai fiabile din punct de vedere tehnic și tehnologic decât îmbinările prin metode tradiționale.

S-a observat de-a lungul timpului faptul că îmbinările prin suprapunere au foarte puține avantaje și foarte multe dezavantaje. Astfel, acestea duc de mult ori la aglomerări ale barelor în zonele de suprapunere, prezintă performanțe slabe la solicitări ciclice, lungimea de suprapunere depinde într-o măsură mare de clasa betonului utilizat. De asemenea, calculul lungimilor de suprapunere conform SR EN 1992-1-1-2004 conduce la dimensiuni impresionante ale acestora, mai ales în cazul utilizării unor betoane de clasă redusă și a barelor cu o rezistență mai mare (BST 500) aflate în condiții de aderență nesatisfăcătore (cazul îmbinărilor de la partea superioară a secțiunilor turnate). Acestea sunt exemplificate în tabelele de mai jos:

Codul de proiectare P100-1/2013 prevede la capitolul 5.7.3. următoarele paragrafe:

(1) In zonele critice unde se așteaptă deformații plastice semnificative, conform configurației mecanismului de plastificare, nu sunt admise înnădiri prin suprapunere. În restul zonelor critice înnădirea prin suprapunere se recomandă să fie evitată.

(2) În zonele critice nu sunt admise îmbinări prin suprapuneri sudate.

În consecință, proiectarea curentă propune pentru armarea stâlpilor și pereților construcțiilor civile în zonele critice, ducerea armăturii continuu pe toată înălțimea subsolului, parterului sau chiar a etajului 1, după caz. Însă acest lucru întră de multe ori în conflict fie cu condiționările privind transportul barelor de armătură mai lungi de 12 metri, fie cu principii mai noi apărute pe piața de construcții din țara noastră, introduse mai ales de companiile de construcții străine, cum ar fi principiul ”Safety by Design”. Acesta introduce ideea ca soluțiile proiectate să poată fi aplicate, cu tehnologia disponibilă în țara noastră, fără a pune sub nici o formă în pericol siguranța pe timpul execuției.

În ajutorul inginerului proiectant și al antreprenorului vine un paragraf din P100-1/2013, tot la capitolul 5.7.3., care prevede:

(3) Înnădirea se poate realiza prin dispozitive de cuplare mecanice validate prin încercări efectuate în condiții compatibile cu clasa de ductilitate selectată.

Paragraful introduce în mod explicit posibilitatea realizării îmbinărilor mecanice însă, din păcate, nu este explicit și poate lăsa, în anumite cazuri, loc de interpretare. În primul rând, ar trebui să fie menționat faptul că acestea pot si utilizate în zonele critice, acest lucru putând fi doar dedus prin excluderea primelor două paragrafe, care interzic utilizarea îmbinărilor tradiționale în aceste zone. În al doilea rând, ar trebui clar menționat care sunt cerințele minimale pentru realizarea încercărilor. În cele ce urmează vom încerca să detaliem cerințele de performanță pe care trebuie să le respecte barele de armătură îmbinate cu dispozitive mecanice.

Pentru barele de armătură, specificația tehnică ST 009-2011 prevede condițiile obligatorii pe care trebuie să le respecte acestea, funcție de clasa de ductilitate aleasă în proiectare. Astfel acestea trebuie să îndeplinească caracteristicile mecanice ce țin de rezistență (la curgere R_e și la rupere R_m ) și de deformație (alungirea la forță maximă A_gt și alungirea la rupere A_n).

În cele ce urmează, pentru a avea o comparație corectă, vor face toate referirile la oțelul de clasă BST 500.

Astfel, oțelul trebuie sa aibă următoarele caracteristici conform categoriei “5” de rezistentă și clasei “C” de ductilitate, conform P100-1/2013, pentru armătura ductilă din zonele critice:

De asemenea, pentru a respecta clasa C de ductilitate otelul trebuie sa respecte cerințele de mai jos:

O caracteristică importantă o reprezintă limita superioară a palierului de curgere care este limitat la 600N/mm² conform anexei C a SR EN-1992-1-1-2004 – Proiectarea structurilor de beton, Partea 1-1:

Din referințele de mai sus, rezultă următoarele criterii de acceptare pentru oțelul beton BST500S,  clasa de ductilitate C:

• limita minimă de curgere: 500N/mm²;
• raportul k =R_m/R_e va fi de minim 1.15 si de maxim 1.35;
• alungirea la forță maximă ε_uk % = A_gt% va fi minim 7.5;
• alungirea la rupere A_n% va fi minim 16;

În cazul utilizării dispozitivelor mecanice pentru înnădirea armăturilor , standardul SR 13515/2007: ”Oțel pentru armarea betonului. Îmbinări mecanice cap la cap pentru bare”, cu cele două părți ale sale: condiții și metode de încercare, definește cerințele de performanță ce trebuie îndeplinite de acestea atât la încercări statice cât și dinamice. Standardul este o copie a  standardului internațional ISO 15835/2006 însă trebuie menționat faptul că, între timp, a apărut o nouă ediție a acestuia, ISO 15835/2009.

Testele pe materiale trebuie să ateste faptul că ruperea se produce în armătură și nu în îmbinare (cuplă). Standardul menționat prevede ca, pentru încercări statice, rezistența la rupere a îmbinării trebuie să fie cel puțin R_{eH, spec} × (R_m/R_eH)_spec. Comparativ, codul american de proiectare a structurilor din beton armat indică o valoare pentru rezistența la rupere a îmbinării de 1,25x R_{eH, spec}, așadar o valoare medie a raportului (R_m/R_eH)_spec, așa cum este indicat de către ST 009-2011.

În privința încercărilor la solicitări ciclice, standardul definește două tipuri de cuple:

• cuple tip S1: care sunt testate pentru cutremure cu magnitudini moderate;
• cuple tip S2: care sunt testate pentru cutremure cu magnitudini mari;

Având în vedere natura cutremurelor vrâncene, cerințele de performanță acceptabile trebuie să fie cele pentru cuple de tip S2. Acestea prevăd următorul program de încărcare:

• Încărcare până la 2x deformația la curgere;
• Descărcare până la o deformație corespunzătoare unei forțe de compresiune 0,5xR_eh,spec;
• Repetare ciclu de 4 ori;
• Încărcare până la 5x deformația la curgere;
• Descărcare până la o deformație corespunzătoare unei forțe de compresiune 0,5xR_eh,spec;
• Repetare ciclu de 4 ori;
• Încărcare până la rupere;

Rezistența la rupere este similară cerinței pentru solicitări statice: cel puțin R_{eH, spec} × (R_m/R_eH)_spec, în timp de alungirile reziduale trebuie să respecte valorile u₄≤0,3mm și u₈≤0,6mm, unde indicii reprezintă numărul de cicluri după care se realizează măsurarea.

Conform cerințelor de performanță prezentate mai sus, rapoartele de încercare emise de către laboratoare trebuie să cuprindă un set minimal de informații ce vor atesta conformitatea produselor: modul de cedare (în îmbinare sau armătură), rezistența la curgere, rezistența la rupere,  alungirea la forță maximă, alungirea la rupere,reprezentarea grafică a curbelor efort-deformație cu evidențierea palierului de curgere.

O problemă majoră o reprezintă faptul că un mare număr de laboratoare de încercări nu au posibilitatea tehnică să prezinte toate informațiile indicate mai sus. Totodată, majoritatea producătorilor de dispozitive mecanice, ca și în cazul multor altor produse de construcții ce au început să fie introduse pe piața din România, provin din țări vest-europene, țări în care nu se pune accent în mod deosebit pe performanțele produselor la acțiunea seismică. Acestea vin cu certificate europene de agrementare tehnică ce atestă conformitatea produselor și, mai mult, sunt emise și certificate românești de agrement tehnic. La o analiză atentă a acestora, se poate constata cu ușurință faptul că nici acestea nu cuprind toate datele care să confere încredere inginerilor proiectanți în introducerea dispozitivelor în proiecte. Astfel un agrement tehnic pentru dispozitive mecanice de îmbinare a barelor de armătură cuprinde în sinteza rapoartelor de încercare doar rezistența la curgere, rezistența la rupere și alungirea la rupere. Aceste informații nu pot fi suficiente pentru a implementa un produs pe piața românească a construcțiilor, țară cu un hazard seismic ridicat.

Prezentul studiu are la bază rapoartele de încercări pe materiale întocmite pentru proiectul ”Green Court Bucharest”. În proiect au fost utilizate dispozitive de îmbinare mecanică de la doi producători diferiți: dispozitive tip Lenton Plus produse de Enrico și dispozitive tip Fortec produse de Dextra Group. Dispozitivele au fost folosite pentru îmbinarea barelor de armătură verticale de diametre Φ25 și Φ32. Local, la nivelul subsolului 3 au fost realizate îmbinări sudate cap la cap in cochilie.

Mai jos sunt prezentate mai întâi un set de încercări realizat pe dispozitive mecanice cu filet conic tip Lenton, încercări realizate în cadrul laboratorului de construcții metalice din cadrul Universității Politehnica din Timișoara.

Chiar dacă la prima vedere, rezultatele în ceea pe privește rezistența la curgere, rezistența la rupere  sau alungirea la forță maximă sunt conforme, comportarea acestor tip de dispozitive a fost total neadecvată, ruperea producându-se în dispozitiv, prin cedarea capătului filetat al barei. Și asta cu toate că producătorul avea pentru acest produs un agrement tehnic românesc ce certifica conformitatea dispozitivului mecanic.

În urma acestor rezultate, același producător a prezentat o variantă îmbunătățită a  dispozitivului de îmbinare, Lenton Plus, realizat prin prelucrarea la rece a capetelor barelor înainte de realizarea filetului conic, rezultatele încercărilor realizate de același laborator fiind prezentate mai jos.

Acest tip de dispozitiv a avut o comportare satisfăcătoare, cedarea producându-se în bară și nu în îmbinare. Limita de curgere a barei simple încercate nu este conformă însă acest lucru nu face obiectul prezentului studiu. Se poate observa o reducere a alungirilor la forță maximă și la rupere pentru bara îmbinată însă acest lucru nu este îngrijorător, ținând cont de introducerea unui element rigid pe lungimea cuponului. De altfel, standardul ISO 15835-2009 acceptă o valoare a alungirii la forță maximă de 0,7xA_gt, unde A_gt reprezintă valoarea alungirii pentru bara simplă de armătură.

De asemenea , au fost realizate încercări pe cuple mecanice tip Fortec furnizate de Dextra Group, produsele fiind testate de către același laborator, astfel încât rezultatele să poată fi comparabile. Mai jos sunt prezentate rezultatele pe îmbinări mecanice tip Fortec, realizate prin același principiu de prelucrare la rece a barei, capătul filetat fiind de data aceasta drept si nu conic.

Și acest tip de dispozitiv a avut o comportare satisfăcătoare, cedarea producându-se în bară și nu în îmbinare. De data aceasta alungirea la rupere a barei simple încercate nu este conformă însă, din nou, acest lucru nu face obiectul prezentului studiu.

Au fost realizate și încercări pe îmbinări cu sudură cap la cap în cochilie fără cusături longitudinale, barele încercate fiind din aceeași șarjă ca și cele îmbinate cu dispozitive Fortec.

După cum se poate observa, rezultatele indică o comportare dezastruoasă, ruperea producându-se fie în cordonul de sudură fie lângă cordon, în zona afectată termic, la valori ale deformațiilor foarte reduse.

Acest rezultat nu poate decât să confirme prevederile stipulate de codul P100-1:2013, ce interzice utilizarea acestor tipuri de îmbinări în zonele critice.

Ținând cont de nivelul de hazard seismic din țara noastră, încercările la solicitări ciclice pentru aceste tipuri de dispozitive sunt imperios necesare. Din păcate, astfel de teste nu au fost încă realizate. Producătorul dispozitivelor prezentate mai sus a pus la dispoziție astfel de încercări realizate în cadrul LEMSC: Laboratoire Essais mecaniques, Structures et Genie civil, Franța. Încercările au fost realizate pe cuple tip Lenton Plus, conform ISO 15835-2009, rezultatele fiind prezentate succint mai jos.

Se poate observa faptul că valorile rezultate pentru deformații sunt mult inferioare limitelor indicare in ISO 15835-1:2009.

Sunt evidente avantajele de natură tehnică și tehnologică a utilizării dispozitivelor mecanice pentru îmbinarea barelor de armătură. Totuși, fiind vorba de o tehnologie relativ nouă introdusă pe piața construcțiilor din România, țară cu un nivel ridicat al hazardului seismic, normativele de reglementează proiectarea construcțiilor din beton armat trebuie sa fie foarte clare și să nu lase loc de interpretări ce pot facilita introducerea în proiectare și execuție a unor produse ce nu sunt conforme sau prezintă un factor de încredere redus.

Trebuie tras un semnal de alarmă asupra conținutului agrementelor tehnice și, de asemenea, a standardelor ce, de multe ori sunt doar o traducere sau, în anumite cazuri, nici măcar, a unor standarde vest-europene, fără o analiză mai detaliată asupra implicațiilor implementării acestora într-o țară cu seismicitate ridicată.

Utilizarea dispozitivelor mecanice, inclusiv în zonele critice, trebuie realizată doar în urma încercărilor de laborator ce vor releva toate caracteristicile impuse de cerințele de performanță. Și aici există o problemă în sensul că, majoritatea laboratoarelor nu pot satisface aceste cerințe.

Având în vedere toate elementele expuse în prezentul studiu, se impune necesitatea realizării de încercări la solicitări ciclice și în România, pentru sporirea factorului de încredere în utilizarea unor astfel de dispozitive.

[1]   P100-1-2013. Cod de proiectare seismică — Partea I — Prevederi de proiectare pentru clădiri.

[2]   SR EN 1992-1-1-2004. Proiectarea structurilor din beton armat. Partea 1-1: Reguli generale și reguli pentru clădiri.

[3]   ACI 318-05. Building Code Requirements for Structural Concrete.

[4]   ISO 15835-1. Steels for the reinforcement of concrete – Reinforcement couplers for mechanical splices of bars – Part 1: Requirements.

[4]   ISO 15835-2. Steels for the reinforcement of concrete – Reinforcement couplers for mechanical splices of bars – Part 2: Test Methods.

[5]   SR 13515:2007. Oţel pentru armarea betonului. Îmbinări mecanice cap la cap pentru bare.