SOLUTII SIGURE, RAPIDE SI IEFTINE DE REALIZARE SI/SAU CONSOLIDARE ANTISEISMICA A CLADIRILOR

Consolidarea antiseismica a cladirilor existente este impusa de faptul ca din estimarile efectuate de specialisti, multe din acestea prezinta risc mare de prabusire la viitoarele cutremure, urmate de pierderi de vieti omenesti, pagube materiale si sociale.
Solutiile actuale de consolidare antiseismica a cladirilor practicate in Romania sunt costisitoare, necesita un timp lung de realizare si, in plus, pentru realizarea consolidarilor cladirile trebuie evacuate distrugandu-se practic toata partea de arhitectura a acestora.
De asemenea, metodologia actuala de calcul seismic al cladirilor asa cum este prezentata in Normativul P100 este buna numai la cutremurele de suprafata „rapide“, asa cum sunt cutremurele din Banat, Dobrogea si Transilvania, si contraindicata la cutremurele „lente“, asa cum sunt cutremurele vrancene.
In continuare se face o prezentare a unor studii de prognoza a cutremurelor vrancene, comentarii asupra erorilor din Normativul de proiectare antiseismica a constructiilor P100 si o descriere a noilor solutii de consolidare antiseismica a constructiilor utilizand dispozitive mecanice de tip SERB-DIC.
Cand se vor produce urmatoarele cutremure puternice in focarul Vrancea?
Pentru a avea o abordare cat mai reprezentativa a prognozei cutremurelor vrancene am efectuat impreuna cu colegul meu ing. Androne Marian o analiza a activitatii istorice si instrumentale ca o functie de timp considerand ca marime reprezentativa pentru activitatea seismica energia totala anuala eliberata in focarul Vrancea, estimata prin magnitudinea echivalenta.
Aceasta functie nu este foarte bine definita pentru zona cutremurelor istorice, intruc@t in multi ani lipsesc informatii privind cutremurele produse, dar cu toate acestea analiza ei a condus la rezultate reprezentative pentru prognoza seismica. In figurile 1.1 - 1.2 se da o prognoza a activitatii focarului Vrancea efectuata si publicata inca din anul 1994, care arata o buna potrivire pana in prezent. Conform analizei efectuate, acumularea si eliminarea energiei seismice din focarul Vrancea poate fi reprezentata de o functie care contine 6 componente periodice semnificative, respectiv 46, 43, 41, 31, 13 si 2 ani. Aceste componente pot fi afectate de lipsurile si erorile existente in baza de date.
Diagramele prezentate sunt o prima incercare de prognoza a activitatii seismice bazata pe metoda seriei de timp pentru focarul Vrancea utilizand magnitudinile cutremurelor pe perioada 1901 - 1993, pentru care erorile de apreciere, in conformitate cu anumiti autori, sunt de 0.5. Din lipsa de date, analiza s-a facut pe cutremure cu magnitudini echivalente anuale pentru a se tine seama de energia totala eliberata pe o durata de timp.
In cadrul analizelor s-au realizat mai multe functii de prognoza intrucat din datele de baza dupa extragerea a 3 componente periodice, seria de baza devine aleatoare. Din acest motiv nu trebuie acordata o incredere prea mare acestor prognoze.
Conform unei functii de prognoza, in focarul Vrancea, in jurul anului 2032 se anunta un cutremur catastrofal. De asemenea, conform altei functii de prognoza, in jurul anilor 2012, 2016 se vor produce doua cutremure mari care pot distruge multe dintre constructiile deja afectate de seismele produse pana in prezent. Una din cele doua alternative se poate produce si nu se poate aprecia care are sanse mai mari.
Avand in vedere aceste prognoze si activitatea seismica efectiva a focarului Vrancea, consider ca nu este timp pentru speculatii de afaceri pe aceasta tema. Trebuie aplicate urgent solutii de consolidare rapide, sigure si cat mai eficiente a constructiilor.
Solutiile de consolidare antiseismica, in acord cu prevederile actuale, nu se pot aplica la scara mare din cauza implicatiilor sociale si a costurilor ridicate, si in plus acestea nu prezinta siguranta, conform argumentarilor care vor fi prezentate in continuare.
Prezinta sau nu siguranta constructiile consolidate dupa Normativul de proiectare antiseismica P100 ?
Teritoriul Romaniei este afectat in proportie de peste 50% de cutremure intermediare vrancene care se produc la o adancime medie de 150 km. Caracteristicile dinamice ale acestor cutremure intermediare sunt mult diferite de caracteristicile dinamice ale cutremurelor de suprafata care afecteaza tari ca: Japonia, SUA, Turcia, China, Iran, Irak, Grecia, Italia etc.
Principala diferenta dintre cutremurele intermediare si cutremurele de suprafata este data de dinamica miscarii, si anume: cutremurele vrancene sunt “lente” si accelerogramele lor contin componente armonice cu perioade intre 0,5 si 1,5 secunde, in timp ce cutremurele de suprafata sunt mai „rapide“, avand accelerograme ce contin componente armonice cu perioade intre 0,15 si 0,4 secunde.
Pe de alta parte, terenul de fundare pentru marea majoritate a constructiilor afectate de cutremurele vrancene este “moale”, format din depozite sedimentare neconsolidate, ceea ce conduce in foarte multe cazuri la o amplificare in regim de rezonanta a miscarii seismice datorita frecventelor joase ale cutremurelor vrancene.
Avand in vedere aceste diferente importante intre cutremurele care afecteaza teritoriul Romaniei si cutremurele care afecteaza teritoriul altor tari in care s-a dezvoltat si o metodologie avansata de realizare si consolidare a constructiilor rezistente la cutremurele de suprafata, nu putem asimila aceasta metodologie decat partial intrucat, de regula, constructiile proiectate sa reziste la cutremure de dinamica “rapida”, cel mai probabil vor fi deteriorate sau chiar distruse de cutremurele de dinamica “lenta” si viceversa, datorita fenomenelor de rezonanta care pot sa apara.
Din nefericire, Normativul romanesc P100/1992 pentru proiectarea antiseismica a constructiilor de locuinte, social - culturale, agrozootehnice si industriale, inclusiv ultima revizie, a preluat integral conceptia de proiectare antiseismica specifica cutremurelor de suprafata dezvoltata de tari ca SUA, Japonia sau Uniunea Europeana etc. pentru toate zonele tarii noastre, fara a analiza diferentele care apar in comportarea efectiva a constructiilor in timpul cutremurului, care sunt afectate fie de cutremure “rapide” (Dobrogea, Maramures, Banat etc.), fie de cutremure “lente” (pentru restul teritoriului Romaniei).
Dupa cutremurul din 1977, la normativul de proiectare antiseismica existent la vremea respectiva, P13, s-au adus multe imbunatatiri, inclusiv corectarea inputului seismic. Din nefericire, conceptia de protectie antiseismica a constructiilor a fost preluata integral de la cutremurele de suprafata “rapide”, inclusiv valorile coeficientului de reducere datorita degradarii controlate a cladirilor (), care va fi valabila si pentru cutremure “lente” fara a se face o analiza a diferentelor de comportare a constructiilor .
Diferentele in comportarea unei cladiri proiectate dupa normativul P100 si afectata de cutremure “rapide” sau “lente” se explica foarte simplu prin iesirea sau intrarea in rezonanta cu miscarea seismica a constructiilor la diferite grade de degradare, denumite generic articulatii plastice.
In diagramele din figura 2.1, specifice cutremurelor de suprafata “rapide”, respectiv, figura 2.2, specifica cutremurelor intermediare vrancene “lente”, este prezentata variatia coeficientului de amplificare dinamica la iesirea sau intrarea in zona de rezonanta prin flexibilizarea cladirilor datorita aparitiei unor articulatii plastice conform prevederilor Normativului P100.
La cutremurele de suprafata apare o scadere puternica a incarcarii seismice datorita degradarii controlate si cresterii perioadelor de oscilare ale cladirilor degradate, pe cand la cutremurele intermediare apare o marire a incarcarii seismice in urma degradarii controlate, datorita cresterii perioadelor de oscilare a cladirilor degradate, la valori cuprinse \ntre 0,5 si 1,5 in functie de gradul de degradare) fata de perioadele de oscilare a cladirilor nedegradate care, de regula, sunt intre 0,2 si 0,5 pentru cladirile uzuale sau chiar mai mici.
La cutremurele de suprafata fenomenul de degradare se opreste la un nivel acceptat datorita iesirii cladirilor din zona de rezonanta cu miscarea seismica, pe cand in cazul cutremurelor intermediare fenomenul de degradare se mareste intr-o avalansa negativa conducand la marirea incarcarilor seismice si respectiv a degradarilor. Trebuie mentionat faptul ca modurile superioare de vibrare ale cladirilor degradate conduc si ele la o marire importanta a incarcarilor seismice la cutremurele „lente“, datorita intrarii acestora in regim de rezonanta, ceea ce accentueaza fenomenul de distrugere ireversibila. Fenomenul de degradare nu se opreste la o degradare usoara ca la cutremurele de suprafata si el continua pana la distrugerea cladirilor, urmata de prabusirea violenta a lor.
Exista un singur efect pozitiv al degradarii controlate a cladirilor care conduce la micsorarea incarcarilor seismice - cresterea amortizarii totale a cladirilor, fapt ce conduce la o reducere a incarcarilor seismice, fenomen pozitiv atat la cutremurele de suprafata cat si la cutremurele intermediare. Din pacate, aportul acestei amortizari la degradari mari nu este asa de mare comparativ cu iesirea cladirilor din zona de rezonanta, fenomen care se produce numai la cutremurele de suprafata si care nu este evaluat separat nici de specialistii romani, nici de cei straini care au cuantificat global fenomenul de reducere a incarcarii seismice (iesirea din rezonanta si cresterea amortizarii) intr-un singur coeficient  care tine seama si de o anumita redistribuire a fortelor in elementele de rezistenta ale constructiilor degradate.
Preluarea integrala in Romania a metodologiei de proiectare antiseismica specifica cutremurelor „rapide“ si pentru teritoriile afectate de cutremurele vrancene, cutremure intermediare “lente”, este o mare eroare. Desi aceasta diferenta a fost explicata detaliat de autorul prezentului articol (cu diferite ocazii), nu numai ca nu s-a luat nici o masura pana in prezent, dar nu s-au inregistrat reactii oficiale cu punctele de vedere fundamentate ale organismelor cu atributii in acest domeniu. Aceasta tacere este cu atat mai grava cu cat in viitorul apropiat, intre 2012 – 2016, teritoriul Romaniei este posibil sa fie afectat de cutremure vrancene puternice.
Din punct de vedere economic si social conceptia de proiectare antiseismica a constructiilor cu degradari controlate este de asemenea necorespunzatoare pentru cazul cutremurelor intermediare, intrucat in acest caz degradarea constructiilor nu se opreste la degradari mici prin iesirea din zona de rezonanta ca in cazul cutremurelor de suprafata. Constructiile sunt supuse la degradari foarte mari din cauza fenomenului de rezonanta, fapt ce conduce fie la prabusirea cladirilor, fie la o degradare avansata care nu mai prezinta siguranta in viitor. Consolidarea cladirilor pentru a le aduce la gradul initial de siguranta cu refacerea elementelor degradate costa de cateva ori mai mult dec@t realizarea unor cladiri sigure avand la baza alta metodologie decat cea din Normativul P100.
Noi solutii sigure, rapide si ieftine de consolidare sau realizare de constructii rezistente la cutremurele intermediare vrancene
Conform legislatiei prezente (Normativul P100) in Romania, prin conceptia actuala de proiectare si realizare de constructii rezistente la actiuni seismice se urmareste ca la solicitarile seismice mici si medii constructiile sa se comporte in domeniul „liniar“, iar la solicitari seismice mari sa se produca degradarea locala prin aparitia articulatiilor plastice. Prin acest mod de realizare a constructiilor la solicitarile seismice mici si medii nu se amortizeaza miscarea seismica a cladirilor, dar la solicitari mari este de asteptat o crestere a amortizarii datorita degradarilor controlate precum si o flexibilizare a cladirii, ceea ce duce la iesirea din zona de rezonanta numai la cutremurele de suprafata „rapide“, cum ar fi cele din sudul Dobrogei, Transilvania sau Banat. In zonele afectate de cutremurele vrancene, prin degradare controlata cladirile intra in regim de rezonanta cu miscarea seismica „lenta“.
Noua conceptie de proiectare, consolidare si/sau realizare de constructii rezistente inclusiv la cutremurele intermediare vrancene „lente“, este conceputa practic „in oglinda“ fata de conceptia oficiala din Normativul P100, aplicabil numai la cutremure „rapide“ de suprafata. In aceasta solutie cladirile se realizeaza in asa fel incat au amortizare mare inclusiv la solicitarile mici si medii, iar in cazul in care cladirile ajung la deformatii mari, acestea se „intaresc“ asigurand rezistenta necesara impotriva degradarii precum si forta capabila pentru revenirea la pozitia de echilibru.
Realizarea acestui mod de comportare controlata a constructiilor se face cu ajutorul unor dispozitive mecanice denumite SERB-DIC, cu elasticitate si amortizare adaptabile la nivelul de solicitare si care se pot insera in cladirile noi sau existente in “contravantuiri telescopice“, pentru controlul deformarii cladirilor sau in suporti (izolatori) montati intre suprastructura si infrastructura cladirii pentru controlul deplasarii relative dintre module, suprastructura sustinuta elastic si infrastructura fixata in teren.
In continuare se prezinta mai detaliat doua variante posibile de consolidare a cladirilor existente.
VARIANTA 1. Pentru constructii masive, rigide, realizate din zidarie portanta, solutia consta in practicarea unor orificii in infrastructura cladirii sau la parterul acesteia la distanta de 4 6 m, cu inaltimea de cca 1 m si latimea de 70 cm, de regula in peretii de la subsolul sau parterul cladirii (vezi figurile 3.1 – 3.11), in care se monteaza dispozitivele mecanice precomprimate de sustinere a cladirii de tip SERB-DIC-I. In planul de separatie, infrastructura si suprastructura se intaresc local prin realizarea unor centuri de beton armat care includ placile inferioare respectiv superioare de fixare a dispozitivelor mecanice din orificiile practicate.
Dupa decomprimarea dispozitivelor mecanice se taie legatura rigida dintre suprastructura si infrastructura, intre acestea ramanand doar legatura elastica data de dispozitivele mecanice SERB-DIC-I. Programul de decomprimare a dispozitivelor mecanice trebuie realizat in asa fel incat in cladire sa nu apara modificari importante ale starii de eforturi initiale.
Dispozitivele mecanice sustin elastic greutatea cladirii si „rup“ transmiterea actiunii seismice de la teren la suprastructura cladirii. Rigiditatea si amortizarea dispozitivelor vor fi in asa fel alese incat in timpul unui cutremur suprastructura cladirii sa ramana practic nemiscata, in timp ce terenul cu infrastructura se va misca sub aceasta.
Dispozitivele se pot monta si intre un radier general si fundatia unei constructii noi sau vechi.
Pentru dispozitivele SERB-DIC-I s-au realizat incercari cvasistatice si dinamice pe elemente realizate la scara 1:1 (figurile 3.8 - 3.9), iar rezultatele obtinute (figurile 3.10 - 3.11) demonstreaza ca se pot realiza dispozitive cu orice caracteristica neliniar geometrica si amortizare dorite, care sa prezinte o siguranta de 2 – 5 ori mai mare decat cerintele impuse pentru aceste dispozitive prin noua reglementare „Ghid privind proiectarea sistemelor de izolare seismica pasiva (reazeme, disipatori) a cladirilor“ indicativ GP-101-04 publicat in Monitorul Oficial nr. 874 bis din 24 septembrie 2004.
VARIANTA 2. Pentru constructii flexibile, zvelte, realizate cu cadre de beton sau metalice, la partea inferioara a acestora se monteaza niste contravantuiri „telescopice“ realizate din profile “U” si dispozitive mecanice SERB-DIC-B (vezi figurile 3.12–3.13). Prinderea contravantuirilor de la noduri se face prin camasuirea structurii de beton sau sudura in cazul structurilor metalice. Contravantuirile telescopice permit deformarea controlata a cladirii si o disipare mare de energie seismica la solicitari mici si medii, fara aparitia articulatiilor plastice in cladire. La deformatii mari dispozitivele din contravantuirile telescopice se intaresc, conducand la rigidizarea cladirii si asigurand fortele necesare pentru mentinerea stabilitatii.
Pentru aceste dispozitive s-au realizat incercari cvasistatice si dinamice pe elemente realizate la scara 1:1 (figurile 3.14 – 3.15).
Rezultatele obtinute (figurile 3.16 – 3.17) demonstreaza ca se pot realiza dispozitive cu orice caracteristica neliniar geometrica si amortizare dorite la un nivel de siguranta de cateva ori mai mare decat cel avut in prescriptiile actuale.
Prin aplicarea uneia dintre cele doua variante sau combinatii ale acestora, atat la consolidarea cladirilor existente cat si la realizarea celor noi, se obtin solutii sigure, rapide si ieftine ce asigura rezistenta foarte buna a cladirilor inclusiv la cutremure vrancene. Consolidarea unei cladiri conform noilor solutii propuse prezinta urmatoarele avantaje fata de solutia clasica impusa de Normativul P100:
* este de circa 2 ori mai ieftina;
* se realizeaza intr-un timp de circa 3-4 ori mai scurt;
* nu este necesara eliberarea spatiilor locuibile pentru interventia echipei de consolidare, ci numai accesul esalonat in anumite camere ale cladirii, pe timp scurt;
* deseurile rezultate in urma consolidarii sunt de circa 10-15 ori mai mici fata de solutiile clasice, iar manipularea acestora se poate face pe spatiile uzuale de acces, fara a afecta functionalitatea cladirii;
* materialele de consolidare sunt realizate din elemente metalice si beton in cantitati mici care, de asemenea, pot fi manipulate pe spatiile uzuale de acces;
* se poate realiza consolidarea cladirii in zone urbane foarte aglomerate, fara afectarea circulatiei in aceste zone, intrucat practic nu exista organizare de santier in vecinatatea cladirii;
* partea de arhitectura a cladirii este afectata foarte putin prin interventii locale realizate in general in interiorul cladirii.
Pentru a se pune in evidenta avantajele tehnice, economice si de siguranta ale dispozitivelor SERB-DIC realizate in tara, fata de dispozitivele hidraulice importate din SUA si care s-au propus de reprezentantii oficiali ai statului roman a fi utilizate pentru consolidarea antiseismica a cladirilor se prezinta sub forma tabelara caracteristicile celor doua dispozitive.
Nr.
crt. CARACTERISTICI
DISPOZITIV SERB-DIC HIDRAULIC IMPORT
1 Forta maxima preluata pe dispozitiv 20 – 100 tone functie de dimensiuni 10 – 30 tone functie de dimensiuni
2 Dimensiuni (lungime/diametru) (40 – 70) cm/
(15 – 30) cm (70 – 100) cm/
(40-60) cm
3 Rigiditate Neliniar geometrica de marime dorita (functie de rigiditatea cladirii protejate seismic) Nu are rigiditate
4 Capacitatea de preluare a deformatiilor cladirii. Permit deformatii mici cu forte de reactie mici si amortizare mare. La cresterea deformatiilor peste o limita impusa, rigiditatea dispozitivului creste foarte mult, asigurand fortele necesare pentru limitarea deformatiilor cladirii la valori impuse pentru a nu aparea distrugerea lor intrucat nu contin componente sensibile care sa necesite precizii mari. Fortele de reactie nu sunt dependente de deformatii, ci numai de viteza de deformare. La cutre-murele vrancene unde vitezele sunt relativ mici nu pot asigura un control eficient al deformarii cladirii.
5 Posibilitati de defectare Excluse Exista posibilitatea pierderii de lichid hidraulic sau de obturare a orificiilor de curgere etc.
6 Termen de garantie 150 – 200 ani Probabil 15 - 30 ani
7 Cladiri consolidate din creditul acordat (70 milioane $) 200 – 250 cladiri 80 -100 cladiri
8 Implicarea industriei romanesti Totala Nesemnificativa
9 Pret de cost 1500 – 2000 $ 5000 – 6000 $