Consolidarea monumentelor istorice. Influenta materialelor traditionale si compozite

Conservarea cladirilor cu valoare istorica reprezinta o prioritate pentru cultura si civilizatia oricarei tari, iar restaurarea, reabilitarea, conversia arhitecturala au ajuns astazi in topul preferintelor din domeniul practicii arhitecturale si urbane.

Simpozionul national cu participare internationala care a avut loc la Iasi, cu tema: „Probleme actuale privind conservarea si reabilitarea cladirilor cu valoare istorica“, a oferit specialistilor din cele mai diverse domenii posibilitatea de a contribui cu experienta si realizarile proprii la redactarea unui volum cuprinzand lucrari care sa trezeasca interesul inginerilor si arhitectilor.

Volumul debuteaza cu o abordare personalizata a reabilitarii si conservarii intre etica si estetica, fiind continuat cu seturi de lucrari ce reprezinta principalele domenii specifice tematicii simpozionului:

• urmarirea comportarii in timp a monumentelor istorice;

• pastrarea unor constructii de epoca;

• un studiu comparativ privind solutiile bazate pe materiale traditionale si  din compozite moderne;

• probleme ale reabilitarii termofizice;

• cauze ale degradarii structurii si inchiderilor la cladirile cu valoare istorica;

• studiul aderentei materialelor componente in cadrul sistemelor de reabilitare;

• prezentarea unor solutii pentru diverse tipuri de structuri, inclusiv modelarea numerica a comportarii sistemelor structurale analizate.

Studiile de caz prezentate in partea finala a volumului descriu, in detaliu, o serie de aplicatii practice realizate de autorii lucrarii prezentului volum.

In momentul in care cladirile istorice necesita lucrari de reparatii, reabilitare si consolidare, se recomanda folosirea materialelor tradi­tionale (lemnul, piatra cioplita sau turnata, betonul, teracota, fonta si otelul), apropiate de caracteristicile fizico-mecanice ale materialelor istorice initiale. In cazul in care este necesara inlocuirea unor parti din elementele unor cladiri cu valoare istorica, trebuie ca materialul ce substituie originalul sa prezinte caracte­ristici asemanatoare legate de structura, aspect, culoare sau alte proprietati vizuale. In ultimele dece­nii, la conservarea totala sau partiala a monumentelor istorice s-au folosit materiale sintetice de tipul polime­rilor acrilici, rasinilor epoxidice sau polimerice, dar si materiale moderne de tipul compozitelor polimerice armate cu fibre. Autorii prezinta o serie de solutii de consolidare a monumentelor istorice folosind materiale polimerice armate cu fibre cu aplicatii la elementele structurale din materiale traditionale.

Cuvinte cheie: confinare, placare, inglobare, ancorare, fibre de sticla/ carbon.

Inlocuirea materialelor de constructie originale cu materiale compozite trebuie sa satisfaca trei criterii: sa fie compatibile la exterior cu materialele originale, proprietatile fizice ale materialelor compozite trebuie sa fie similare, sau avand mici tolerante, cu ale materialelor din care au fost concepute monumentele istorice, materialele noi utilizate sa fie durabile indeplinind conditiile de performanta pe o perioada cat mai mare de timp.

Materialele care pot inlocui, partial sau total, elementele din materiale traditionale cu valoare istorica sunt: aluminiul turnat, piatra, betonul armat cu fibre de sticla, betonul prefabricat, compozitele polimerice armate cu fibre, betoa­nele epoxidice sau cu alte rasini polimerice etc.

Degradarea structurilor cu valoare istorica are la baza trei cauze: deteriorarea datorata factorilor de mediu (umiditate, poluarea aerului, coroziune, procesul de inghet-dezghet, atacul chimic sau biologic), deformatii si deplasari (tasari, variatii de temperatura, seism etc.), supra­sarcini (incarcari din cresterea traficului rutier in cazul podurilor, cutremure, incarcari din utilaje si elemente care faciliteaza interventiile structurale).

Avantajele si dezavantajele materialelor de constructii folosite la reabilitarea si consolidarea cladirilor istorice

In tabelul 1 sunt prezentate o serie de materiale clasice, dar si materiale compozite intalnite frec­vent la repararea si consolidarea constructiilor cu valoare istorica.

Aplicatii ale CPAF la reabilitarea structurilor pentru cladiri de patrimoniu

Structuri din zidarie

Daca materialele traditionale de constructii nu pot satisface conditiile necesare lucrarilor de reparatii sau de consolidare, se poate opta pentru folosirea materialelor polimerice armate cu fibre. Folosirea compozitelor polimerice armate cu fibre de sticla s-a dovedit un succes in special in cazul inlocuirii unor elemente de arhitectura, atunci cand se doreste pastrarea caracteristicilor estetice ale acestora (fig.1).

Tehnicile de consolidare a zidariilor cu materiale compozite armate cu fibre cunoscute si testate experimental se bazeaza pe lipirea unor tesaturi unidirectionale sau bidirectionale din fibre de sticla sau carbon preimpregnate cu rasini epoxidice, bare din fibre de carbon sau fibre de sticla inglobate in slituri preformate, plase din armaturi din fibre de sticla cu ochiuri patrate, membrane din CPAF cu ancoraje etc. De asemenea, stalpii care bordeaza aceste zidarii se pot confina cu CPAF de carbon sau sticla, iar grinzile sau buiandrugii cu platbande din CPAF de carbon. Apar insa o serie de probleme la confinarea cu CPAF a stalpilor cu sectiune patrata.

Punerea in opera a tehnicilor de consolidare cu materiale compozite la conservarea structurilor din zidarie presupune realizarea urmatoarei succesiuni de etape:

• strategia de reparare a structurii din zidarie, ce include si diagnosticarea starii anterioare deciziei de reabilitare;

• metode de analiza a proprietatilor mortarului si a materialelor compozite pe termen lung;

• pregatirea suprafetei inainte de armarea si ancorarea materialului compozit;

• tehnici de reparare si stabili­zare a structurii din zidarie prin injectare;

• finisarea reparatiilor si mentine­rea acestora in armonie cu finisajul elementului original.

In urma cutremurului din 1997 produs in Umbria si Marche (Italia), o serie de constructii au suferit degradari ale structurii de rezistenta. Unul dintre cazuri il reprezinta si primaria din Assisi unde au aparut fisuri la nivelul extradosului boltilor. Solutia de reabilitare consta din refacerea partii care sprijina bolta prin inlocuirea caramizilor dislocate si fisurate, iar la extrados prin folosirea unui primer si aplicarea unor tesaturi din fibre de carbon pe intersectia curburilor (fig. 2).

Structuri din beton

Se cunoaste faptul ca de mai bine de doua decenii structurile din beton pot fi consolidate cu CPAF. Cauzele majore de deteriorare care afecteaza structurile istorice din beton sunt legate de factorii de mediu, dioxidul de carbon din atmo­sfera, betonul slab comparativ cu normele in vigoare, intretinerea precara a constructiilor cu valoare istorica.

Tehnicile actuale de consolidare care folosesc CPAF sunt: post-tensionarea cu sisteme de cabluri, pretensionarea platbandelor din CPAF de carbon, ancorarea cu CPAF, folosirea polimerilor armati cu fibre de otel, bare inglobate etc.

In fig. 3 este prezentata consolidarea unei grinzi din beton armat si modul de confinare a unui stalp din beton, folosind CPAF de carbon preimpregnate cu rasini epoxidice, prin metoda de formare prin contact.

Structuri din metal

Problemele curente care apar la constructiile din fonta sau otel cu valoare istorica se refera la coroziunea in profunzime (Pitting), distrugeri datorate socurilor, cedarea unor imbinari, pierderea capacitatii de ancorare etc. Cauzele acestor probleme de coroziune se datoreaza factorilor de mediu, prin expunerea la umiditate, apa de mare, sarurile din aer, acizi si sulfuri. Defectele de suprafata ale elementelor din fonta se pot repara folosind chiturile epoxidice. In cazul in care trebuie efectuata o consolidare a elemen­tului din fonta, aceasta se poate face fie folosind materiale clasice de tip fonta, otel sau aluminiu, fie compozite polimerice armate cu fibre de carbon cu modulul de elasticitate foarte ridicat (ultrahigh carbon fibre reinforced polymers-uh CFRP).

Prinderea prin lipire a platbandelor din CPAF de carbon la intradosul grinzilor metalice conduce la cres­terea capacitatii portante la sarcini statice, dar si a rezistentei la oboseala. Valoarea modulului de elasticitate ridicat la fibrele de carbon permite compatibilizarea rigidi­tatilor pieselor compozite, folosite la consolidare, cu a pieselor metalice originale. Prin adaugarea platbandei compozite la intradosul grinzii meta­lice, nu apar cresteri semnificative ale incarcarilor provenite din greutatea proprie.

Dezavantajele placarii cu platbande din CPAF de carbon sunt legate de o anumita incertitudine a durabilitatii sistemelor compozite bazate pe rasini polimerice. In cazul expunerii la cicluri de inghet-dezghet sau la apa de mare, CPAF de carbon pot sa se degradeze. La contactul cu apa fierbinte (peste 70 0C), se produc distrugeri ireversibile ale imbinarii prin lipire, prin formarea oxizilor la nivel de interfata. Executia lucrarilor de consolidare a grinzilor metalice cu CPAF de carbon trebuie efectuata de personal calificat, iar verificarea imbinarii platbanda–adeziv– otel sau fonta se efectueaza prin termografie in infrarosu.

Structuri din lemn

Structurile cu valoare istorica din lemn – de tipul podurilor din lemn sau cadrelor din lemn la cladiri sau biserici, arce cu deschideri mari, ferme din lemn – necesita metode specifice de restaurare si consolidare. Repararea si consolidarea elemen­telor din lemn cu materiale tradi­tionale reprezinta adesea o provocare, dat fiind faptul ca trebuie sa avem in vedere proprietatile lemnului pe cele trei directii si stabilitatea dimensio­nala a elementelor din lemn datorate variatiilor de umiditate. Metodele de consolidare a elementelor din lemn cu CPAF de sticla sau carbon se refera la doua tehnici de aplicare: tesaturi preimpregnate sau platbande lipite cu adezivi epoxidici (fig. 4) si prin inglobarea de bare din CPAF in slituri preformate.

Concluzii

Materialele polimerice armate cu fibre sunt compatibile cu cele tradi­ti­onale (lemn, otel, beton, aluminiu). Aceste materiale pot fi folosite la repararea si consolidarea elemen­telor din materiale traditionale (sub forma unor tesaturi preimpregnate, platbande lipite cu adezivi epoxidici, tiranti si platbande pretensionate, toroane post-tensionate etc.), dar trebuie mentionat si faptul ca pot inlocui materialele traditio­nale, datorita ofertei mari de profile din CPAF (profile T si dublu T, profile cu sectiune plina, profile cu sectiune inelara etc.).

Succesul in alegerea unei solutii de reabilitare a unei structuri pentru cladiri de patrimoniu este evident legat de profesionalismul unei echipe de arhitecti, ingineri proiectanti si executanti, creatorul sau fabricantul materialelor, maistri constructori etc., dar si de respectarea normelor si a legis­latiei in vigoare la conservarea si reabilitarea structurala.

Bibliografie

1. Park, S. (1988). The Use of Substitute Materials on historic building exteriors, 16 Preservation Brief, AIA, National Park Service, USA.

2. Borri, A., Corradi, M. & Vignoli, A. (2002). New materials for strengthening and seismic upgrading interventions, International Workshop Ariadne 10, Arcchip, April 22-28 2002, Prague, Czech Republic, cd-rom, 1-24.

3. Lorenzis L., Nanni, A. (2004). International Workshop on preservation of historical structures with FRP composites, Final report, National Science Foundation (NSF), Arlington, USA.

4. Stratford T.J., Chen J.F. (2005). Designing for tapers and defects in frp-strengthened, Proceedings of the International Symposium on Bond Behaviour in Structure (BBFS 2005), ed. J.F. Chen & J.G. Teng, 7-9 December, Hong Kong, China.

5. www.reinforcement.ch.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 31 – octombrie 2007

Autori:
prof. Nicolae TARANU,
prof. Dorina ISOPESCU,
sef lucrari Gabriel OPRISAN,
sef lucrari Ioana ENTUC – Universitatea Tehnica „Gh. Asachi“, Iasi