CLADIRI DIN ELEMENTE PREFABRICATE (B – 2011) 1. INDUSTRIALIZAREA PROCESULUI DE CONSTRUCTIE 1.1. Concepte si obiective de baza Conceptul de a confectiona distinct componentele unei cladiri si a le asambla ulterior intr-un ansamblu constructiv a aparut pe la mijlocul secolului al 19-lea, cand in cataloagele cu produse de vanzare din America au inceput sa apara oferte pentru elemente de constructii cu caracteristici standardizate, produse in conditii de mare serie. Aceste oferte s-au extins treptat, cuprinzand tot mai multe si mai variate sisteme structurale si mecamice, precum si finisaje interioare si exterioare pentru cladiri. Dezvoltarea acestui concept reflecta tranzitia de la arta mestesugareasca la o abordare de natura comerciala, evidentiind necesitatea si posibilitatea de a asambla componente standardizate (alternativ denumite tipizate) ale unei cladiri intr-un timp relativ scurt, folosind pe santier mana de lucru comparativ mai putin specializata (calificata). Ideea potrivit careia aplicarea de metode industrializate de constructie poate constitui cel mai eficient mijloc de a face fata cerintei crescande de locuinte cu caracter de masa in mediul urban – cerinta rezultand direct din masiva deplasare a populatiei de la sate la orase in contextual revolutiei industriale – si-a facut aparitia in perioada de sfarsit a secolului al 19-lea si de inceput al secolului al 20-lea. Ea promova in esenta si argumenta oportunitatea aplicarii si in constructia de cladiri a principiilor tehnologice ale productiei de masa (de serie), pe baza carora se obtinusera deja rezultate notabile in cazul multor alte ramuri industriale. De-abia insa dupa incheierea celui de-al II-lea razboi mondial – cand programe de constructie si de reconstructie de mare anvergura si de lunga durata au fost initiate, in deosebi in Europa, pentru a raspunde unei cereri de locuinte fara precedent – industrializarea constructiilor a inregistrat un salt calitativ si cantitativ semnificativ, cristalizandu-si totodata baza conceptuala. Asemenea uriase programe de constructie nu ar fi putut fi puse in practica in absenta aplicarii unor tehnologii pronuntat industrializate, cele mai multe fiind bazate pe productia de masa a elementelor si a componentelor prefabricate de beton armat destinate cladirilor. Conceptul de industrializare a realizarii constructiilor a evoluat treptat, devenind in mare masura sinonim cu o abordare tehnica si organizatorica complexa a desfasurarii intregului proces de constructie in concordanta cu principiile de baza ale productiei industriale. Scopul initial – exprimat sintetic prin cuvintele-cheie “mai repede, mai ieftin, mai bine” – a ramas esentialmente valabil si in prezent, reflectand obiectivele de baza ale industrializarii si anume: productivitate inalta, consum redus de resurse si cost redus, caltate ridicata a produselor. In comparatie cu alte ramuri si produse industriale, constructiile prezinta anumite caracteristici specifice, cum ar fi: - mare diversitate de functiuni, avand drept consecinta (in cazul cladirilor) o considerabila varietate in modul de organizare a spatiului interior; - conditionari si restrictii impuse de pozitia lor fixa in relatie cu terenul; - conditii foarte variate de amplasament; - volum si masa considerabile;
2 - durabilitate intrinsec ridicata si perioada foarte lunga de utilizare. Datorita acestor particularitati, conceptul de industrializare in cazul constructiilor nu poate fi asociat decat partial productiei uzinate, nefiind practic posibila evitarea anumitor activitati si operatii ce trebuie efectuate la fata locului, pe santier. Din aceasta situatie decurge tendinta fireasca de a se cauta extinderea abordarii industrializate, cu tehnologii specifice, si asupra executarii lucrarilor de constructie pe santier. 1.2. Probleme specifice prefabricarii constructiilor Standardizarea (tipizarea) si prefabricarea unei cat mai mari parti dintre componentele si subansamblurile cladirilor a fost utilizata mult timp drept mijlocul principal de a satisface cerintele industrializarii constructiilor. Prefabricarea elementelor nu reprezinta insa decat un singur pas – este adevarat, important – in cadrul dezvoltarii conceptului de industrializare a constructiilor; acest concept inglobeaza in prezent, de asemenea, coordonarea proiectarii, productiei si executarii lucrarilor pe santier, marketingul, finantarea si managementul intregii activitati, ba chiar si administrarea cladirii finalizate si date in exploatare. Este evident faptul ca acest mod de abordare a problemei impune necesitatea unei restructurari a intregului proces conventional de realizare a constructiilor, in vederea asigurarii unei interactiuni efective si continui intre faza de proiectare si aceea de desfasurare a productiei de elemente prefabricate. 1.2.1. Prefabricare industriala (uzinata) si prefabricare pe santier. Prefabricarea industriala (uzinata) este bazata in esenta pe folosirea extensiva a materialelor si a elementelor cu caracteristici standardizate, impreuna cu aplicarea cataloagelor de proiectare pentru detaliile tipizate corespunzand unei riguroase coordonari modulare a dimensiunilor, ceea ce asigura prefabricatelor un grad ridicat de versatilitate si intersanjabilitate. Prefabricarea uzinata implica folosirea de echipamente si utilaje performante, frecvent automatizate si asistate de computer, bazandu-se pe o eficienta diviziune a muncii si o inalta specializare a fortei de munca. Prefabricarea in conditii industriale a fost acceptata drept procedura capabila sa promoveze o inalta eficienta tehnica si economica in activitatea de constructie si s-a dovedit un factor determinant pentru materializarea unor ample programe de constructie de cladiri, in special in domeniul locuintelor, pe parcursul celei de-a doua jumatati a secolului trecut. Aplicata complementar si in anumite conditii, prefabricarea ”in situ” (pe santier) si-a dovedit de asemenea eficienta, in deosebi pentru elementele de mari dimensiuni, dificil de transportat pe sosea sau pe calea ferata, al elementelor cu caracteristici unice sau/si necesitand a fi produse in serii foarte mici, precum si in cazul distantelor mari de la unitatile de productie a prefabricatelor pana la santiere. FIG. B1-1 1.2.2. Principalele avantaje ale prefabricarii. . In comparatie cu utilizarea structurilor de beton armat executate la fata locului, cele mai relevante avantaje ce rezulta din prefabricarea industriala a elementelor de constructie si asamblarea lor pe santier pot fi sintetizate astfel: • Concentrarea celei mai mari parti a procesului de constructie in uzina, intr-un mediu tehnologic si organizatoric favorabil, sub un control riguros al productiei, rezultand o crestere substantiala a performantelor calitative si al aspectului produselor. Imbunatatirea considerabila a acuratetii in realizarea produselor, ca urmare a transferarii de pe santier catre
3
•
•
• • •
• • •
mediul protejat si mai stabil oferit de uzina a operatiunilor avand “sensibilitate” mai ridicata la abateri de executie. Cresterea productivitatii datorita organizarii (planificarii) superioare a activitatii industriale cu caracter repetitiv, precum si a conditiilor mai bune de lucru, reducandu-se astfel cantitatea de munca manuala (cu eficienta comparativ mai redusa) reclamata de operatiile ce se efectueaza pe santier, ca si necesarul de forta de munca cu calificare superioara aferent acestor lucrari. Reducerea duratei totale a procesului de constructie, intre altele datorita posibilitatii de utilizare a unor prefabricate standardizate de mare serie disponibile in stoc, sau de executare a anumitor lucrari pe santier in paralel cu confectionarea in uzina a prefabricatelor comandate. Asemenea situatii au consecinte favorabile directe asupra termenului de finalizare si de punere in exploatare a cladirii, cu efecte benefice pentru client sub aspectul posibilitatii de recuperare mai rapida a investitiei initiale. Diminuarea considerabila a dependentei de factorii climatici a procesului de constructie, putandu-se astfel elimina (total sau partial) eventualele intreruperi ale activitatii din cauza conditiilor meteorologice defavorabile. Reducerea, adesea substantiala, a consumurilor de materiale pe santier (de exemplu, cele necesare realizarii cofrajelor si sustinerilor acestora). Posibilitatea realizarii unor elemente de planseu avand deschideri mai mari sau sectiuni mai zvelte (de exemplu, prin folosirea de clase superioare de beton sau/si prin precomprimarea betonului), elemente cu geometrie mai complicata etc. Sporirea marimii deschiderilor are efecte favorabile asupra modului de compartimentare a spatiului interior, contribuind la obtinerea unui grad mai ridicat de adaptabilitate (flexibilitate) functionala a
cladirii. Incorporarea in prefabricate a unor piese sau dispozitive pentru traversarea, sustinerea sau fixarea diferitelor elemente sau echipamente de instalatii. Posibilitatea aplicarii inca din uzina a unor finisaje decorative (cu paleta texturala si coloristica larga) pe anumite elemente prefabricate de beton (de exemplu, panouri de pereti exteriori, rampe de scara s.a.). Avantaje de natura ecologica: eficienta energetica, posibilitati de dezasamblare a prefabricatelor (la incheierea ciclului de exploatare normala a constructiei) si de reutilizare a unor elemente sau/si de reciclare a materialelor componente, reducerea la minim a pierderilor de materiale in uzina si pe santier
1.2.3. Dezavantaje ale prefabricarii. Ca dezavantaje potentiale sau inconveniente ale cladirilor realizate din elemente prefabricate de beton, in comparatie cu cele executate monolit pe santier, se pot mentiona: • Un grad mai redus de redundanta structurala (nedeterminare statica) si de monolitism, conducand la rezerve de rezistenta diminuate si, implicit, la capacitate mai mica de adaptare si de redistribuire a eforturilor in cazul aparitiei unor situatii accidentale. • Necesitatea unei precizii inalte in procesul de prefabricare, precum si in cadrul operatiilor de asamblare pe santier, tolerantele dimensionale fiind apropiate de cele ale structurilor metalice. • Limitari ale dimensiunilor si greutatii elementelor prefabricate, impuse de conditiile specifice ale productiei uzinate, transportului, ridicarii la cota si montajului. • Riscul unei anumite uniformizari constructive si al unei monotonii vizuale, rezultand din eventuale “inabilitati” in proiectarea structurala, arhitecturala sau/si tehnologica.
4 Prefabricarea cladirilor poate conduce la rezultate optime in conditiile in care se urmareste si se reuseste adoptarea unei strategii adecvate, bazata pe un compromis rational intre avantajele si dezavantajele mentionate mai sus. In acest spirit poate fi analizata, de exemplu, eficienta adoptarii unei prefabricari partiale, introducand in alcatuirea constructiei anumite componente executate din beton turnat pe santier. 1.3. Aspecte-cheie in proiectarea structurala a cladirilor din elemente prefabricate In aplicarea conceptului de prefabricare in constructia de cladiri, anumite aspecte specifice (adeseori, “sensibile”) reclama o analiza aprofundata, studierea de rezolvari alternative si adoptarea in proiectarea structurala a solutiilor considerate a fi cele mai adecvate in raport cu ansamblul exigentelor formulate. In acest sens sunt de evidentiat: 1.3.1. Coordonarea dimensionala modulara. Asigurarea prin proiectare a unei modulari dimensionale riguroase, in plan si in elevatie, pentru intreg sistemul cladirii – incorporand aici in primul rand sub-sistemul structural, dar si alte subsisteme (inchideri, compartimentari etc) – constituie o premisa esentiala pentru utilizarea cu maxima eficienta tehnica si economica a unor elemente prefabricate cu caracteristici standardizate/tipizate produse uzinat si disponibile curent pe piata constructiilor. 1.3.2. Geometria, dimensiunile si greutatea elementelor prefabricate. Acesti parametri – definitorii pentru conformarea si caracteristicile componentelor prefabricate ale structurii – sunt influentati in mod direct de reteaua (trama) modulara a cladirii, dar si de conditionarile specifice impuse de insusi procesul de productie in uzina, carora li se adauga conditiile de transport, depozitare, ridicare in vederea punerii in opera, sprijinire provizorie ( v. 1.3.5.) si asamblare (v. 1.3.3.). 1.3.3. Pozitionarea, detalierea si comportarea mecanica a imbinarilor dintre componentele ansamblului structural. Problema imbinarilor dintre elementele prefabricate este, fara indoiala, una dintre cele mai complexe si mai dificile in proiectarea structurala a cladirilor realizate cu astfel de elemente. Dintre considerentele principale ce guverneaza rezolvarea, de la caz la caz, a acestei probleme, se mentioneaza: - limitarea la strictul necesar a numarului de imbinari, astfel incat comportarea structurii prefabricate – sub aspectul capacitatii de rezistenta, rigiditatii si ductilitatii – sa se apropie cat mai mult de aceea a unei structuri similare executate monolit pe santier; - adoptarea si detalierea tipului de imbinare cel mai adecvat pentru transferul eficient al eforturilor generate in structura (de ex. imbinari umede vs. imbinari uscate, imbinari inchise vs. imbinari deschise etc), precum si pozitionarea acestora in zone cu valori minime ale acestor eforturi; - “fragmentarea” structurii – prin amplasarea corespunzatoare a imbinarilor – astfel incat, in faza de montaj, sa poata fi asigurata cat mai simplu sprijinirea provizorie a componentelor prefabricate si, dupa caz, contravantuirea temporara a ansamblului structural pana la intrarea completa in lucru a imbinarilor; - posibilitatea aplicarii de procedee tehnologice simple si eficiente pentru executarea imbinarilor, cu tolerante minime, cu sensibilitate redusa la agenti atmosferici si la actiunea focului.
5 1.3.4. Influenta eventualelor abateri posibile in diferitele faze ale procesului de constructie. Elementele prefabricate de beton produse uzinat se realizeaza in mod normal cu abateri relativ mici, astfel incat nu apar, de regula, dificultati de incadrare in tolerantele stranse specificate in reglementarile tehnice. Tolerantele aferente lucrarilor pe santier trebuie sa acopere atat abaterile provenind din erorile posibile la trasarea retelei modulare ale constructiei, cat si abaterile aparute la montarea prefabricatelor (abateri de pozitie in plan orizontal sau vertical, abateri de aliniere s.a.). Compensarea acestor abateri se face in mod obisnuit odata cu executarea imbinarilor dintre elementele prefabricate; natura si amploarea operatiilor necesare depind in mod evident de tipul de imbinare utilizat. 1.3.5. Necesitatea unor sprijiniri sau contravantuiri provizorii in timpul operatiilor de montaj si de asamblare a prefabricatelor. Necesitatea introducerii unor astfel de elemente provizorii pe durata efectuarii lucrarilor de montaj si de imbinare a prefabricatelor este generata de faptul ca schema statica (si, implicit, comportarea mecanica) a structurii fragmentate in elemente sau sub-ansambluri prefabricate difera considerabil de aceea a structurii finale, sub aspectul capacitatii de rezistenta, stabilitatii si rigiditatii (v. si 1.3.3.). In cadrul proiectarii structurale trebuie analizate cu multa atentie secventele referitoare la succesiunea de montaj a componentelor prefabricate ale structurii, incat sa raspunda dezideratului de restrangere la minim – preferabil, daca este posibil, chiar de eliminare – a elementelor pentru sprijinire sau/si contravantuire provizorie. 1.4. Consideratii finale cu privire la industrializarea procesului de constructie Rezultatele scontate a se obtine pe baza aplicarii conceptului de industrializare a constructiilor (v. 1.1.) sunt dependente in foarte mare masura de o serie de factori cu caracter global, prezentati in cele ce urmeaza. 1.4.1. Asigurarea unei productii cu caracter de masa (de serie mare). Caracterul de masa al unui proces tehnologic – avand semnificatia productiei unui foarte mare numar de unitati identice sau, eventual, foarte similare – este legat in ultima instanta de asigurarea caracterului repetitiv al operatiilor de productie. Din punctul de vedere al industrializarii, simpla repetare a unor operatii nu prezinta un interes semnificativ; ceea ce este cu adevarat interesant este repetarea produselor (in cazul de fata: elemente, componente sau sub-ansambluri), a unor parti de constructie sau chiar a unor constructii in totalitate. Dupa cum s-a aratat, intreaga geometrie a cladirilor – in special a celor prefabricate – trebuie sa fie subordonata unei modulari dimensionale riguroase atat in plan cat si in elevatie. Atat modalitatea de “fragmentare” a structurii cat si metodele/procedeele de asamblare a componentelor prefabricate ale acesteia au o importanta cruciala pentru eficienta implementare in practica a conceptiei de prefabricare a cladirilor. In mod firesc, este necesar sa se realizeze un compromis rational intre doua tendinte contradictorii si anume: - diversificarea parametrilor de baza (de exemplu, deschideri si travei, inaltimi de niveluri, incarcari utile, partiuri de arhitectura reflectand organizarea functionala a spatiului interior etc); - restrangerea numarului de tipuri (si, eventual a gamei de dimensiuni) a elementelor prefabricate, in vederea simplificarii si a cresterii eficientei economice a productiei de prefabricate. Pornind de la aceste considerente, doua moduri principale de abordare a prefabricarii cladirilor au fost puse in practica pana in prezent, descrise succint in continuare.
6 Unul dintre acestea este reprezentat de catre tipizarea cladirilor in totalitate, configuratia acestora rezultand prin asamblarea in diferite moduri a unor tronsoane de cladire – constand de obicei, in cazul cladirilor rezidentiale, dintr-un numar de apartamente grupate in jurul unui nod de circulatie verticala (casa de scara, ascensor) – posibil de executat prin recurgerea la un set relativ limitat de tipuri de elemente prefabricate. Desi restrictiva intr-o anumita masura in privinta capacitatii de a oferi varietate functional-arhitecturala satisfacatoare, o astfel de abordare – identificata in mod curent sub denumirea de prefabricare “grea” sau prefabricare “inchisa” – s-a dovedit extrem de eficienta in multe dintre tarile in care s-a facut simtita necesitatea de implementare a unor programe de mare amploare in constructia de cladiri de locuit. Aplicarea relativ excesiva a standardizarii/tipizarii cladirilor in totalitate a condus insa la o anumita subordonare a necesitatilor oamenilor in raport cu cerintele de industrializare a constructiilor. In acest context, a inceput sa se faca tot mai simtita insatisfactia utilizatorilor fata de cvasi-uniformitatea functionala a multor categorii de cladiri, ca si fata de monotonia aspectului acestora. Luand in considerare acest fenomen si in paralel cu satisfacerea treptata a necesitatii stringente de locuinte, preocuparile orientate catre realizarile cantitative in constructia de cladiri au inceput in ultimele cateva decenii sa cedeze locul in favoarea performantelor potentiale de ordin calitativ generate de o baza conceptuala diferita. Cel de-al doilea mod de abordare, reprezentand o cale mai rationala de adaptare a conceptului de industrializare a constructiilor la noile conditii si exigente calitative, consta in dezvoltarea de solutii pentru o prefabricare “usoara” (de asemenea cunoscuta sub denumirea de prefabricare “deschisa”), capabila sa ofere versatilitate si adaptabilitate in raport cu evolutia cerintelor functionale si estetice, cu inevitabilele modificari in structura pietei constructiilor, precum si cu constrangerile tot mai severe legate de necesitatea protectiei mediului si de asigurarea unei dezvoltari durabile. Acest concept promoveaza standardizarea/tipizarea componentelor structurale si a imbinarilor dintre acestea sub forma cunoscuta drept “kit de constructie”, astfel incat sa permita asamblarea lor in moduri variate care sa asigure o diversitate functionalarhitecturala semnificativa in interiorul fiecarei categorii de cladiri.
1.4.2. Comasarea de functiuni in cadrul aceluiasi element prefabricat. Prin aceasta se urmareste in primul rand reducerea consumului de manopera in comparatie cu situatia obisnuita in care se practica interventii successive asupra elementului respectiv. Spre exemplu, se pot obtine rezultate bune in aceasta directie daca in elementele structurale prefabricate se incorporeaza inca din uzina piesele necesare prinderii anumitor echipamente (instalatii), unor elemente nestructurale (compartimentari, plafoane, tamplarie s.a.), izolatii, finisaje etc. 1.4.3.Analizarea si evaluarea marimii si eficientei investitiei initiale. O astfel de analiza si evaluare este indispensabila pentru promovarea unei actiuni pe linia industrializarii constructiilor in general, si a celor prefabricate in special, privita in primul rand prin prisma efortului economic necesar. Alte aspecte ce trebuie luate in considerare in aceasta problema sunt: - durata de timp necesara pentru a aduce capacitatea de productie in stadiul operational; - stabilitatea in timp a caracteristicilor cerute produselor si posibilitatea de adaptare rapida a acestora la schimbari ce intervin pe piata constructiilor; - aria potentiala de distribuire a produselor; - organizarea transportului si a distributiei produselor in teritoriu.
7 Estimarea corecta a oportunitatii si eficientei probabile a investitiei trebuie sa aiba la baza studii cuprinzatoare de prognoza economico-sociala si sa conduca la elaborarea si implementarea unei strategii adecvate de marketing. * Una dintre conditiile esentiale pentru obtinerea de rezultate superioare in activitatea de constructii actuala consta in stabilirea unor corelatii judicioase intre multiplele cerinte functionale, structurale, tehnologice si, desigur, economice. Aceste corelatii isi au originea in abordarea multidisciplinara a procesului complex de realizare a constructiilor si constituie o adevarata coloana vertebrala a proiectarii moderne.
