Interventii structurale la lucrarile de restaurare a constructiilor istorice

In anul 2004 a fost publicata in Buletinul Constructiilor 21 – 2005 – „Metodologia pentru evaluarea riscului si propunerile de interventie necesare la structurile constructiilor monumente istorice, in cadrul lucrarilor de restaurare ale acestora”, MP025-04, rod al unor acumulari de experienta, date, cercetari, cu pondere mare mai ales dupa cutremurul din 4.III.1977.

Odata cu trecerea la Eurocoduri si ca urmare a acumularilor din perioada 2004-2016, a fost conceput de echipa noastra, in colaborare cu prof. dr. ing. Radu Petrovici, cu care colaborasem si la metodologia MP025-04, un cod de evaluare si propuneri de interventii structurale la constructii istorice, care sa se inscrie in cerintele de principii ale ICOMOS si ale Eurocodurilor.

Forma finala de redactare a Codului a fost predata in iunie 2017 la INP din cadrul Ministerului Culturii si Identitatii Nationale. Analizand si comparand propunerea noastra cu coduri sau ghiduri din acelasi domeniu existente pe plan international, rezulta ca acestea sunt comparabile, tinand seama, insa, de cerintele de hazard multiplu specifice tarii noastre.

In forma finala de redactare a Codului de evaluare si propuneri de interventii structurale, predate de noi la INP din iunie 2017, se face, in preambul, o trecere in revista a unor reglementari internationale existente, comparabile in continut cu prevederile din propunerea noastra de cod. Aceste reglementari sunt mentionate in bibliografie cu numerele (1), (2), (3), (4) si (5).

Prevederile codurilor similare pe plan international

In (1), Recomandari ICOMOS, sunt cuprinse doar prevederi si comentarii de natura calitativa, in spiritul abordarii acestui organism, organism care s-a ferit si se fereste, in continuare, de evaluari cantitative, prin calcul, care, in mod firesc, sunt esenta contributiei profesiunii de inginer constructor la realizarea interventiilor de restaurare.

In (2), California Historical Building Code 2014 si (3), California Existing Building Code 2013, care sunt coduri cu putere de lege pentru statul California, sunt mentionate urmatoarele evaluari cantitative:

• In partea de inceput a Codului se mentioneaza ca acestaarenoiabordari,mentinandconceptuldesiguranta acceptat curent de toate standardele;
• Este, totusi, unic prin faptul ca e orientat mai multpeperformanta decatpebaza de prescriptie;
• Are aceeasi putere ca orice lege a statului,obligativitateaaplicariifiindaceeasica si pentru legile fundamentale;
• Pentruevaluarilenecesare suntaratate interventiilecarepotfisubforma de: restaurari,reabilitari,relocari,cu un grad rezonabil de protectie a vietii, sanatatii si sigurantei pentru ocupanti;
• Sunt recomandate interventii de tip minimal ca performante, avand, ca obiectiv principal, evitarea colapsului, partial sau total, in asa fel incat riscul de a avea victime sau raniri grave sa fie mic;
• In acelasi timp, se atrage atentia ca reglementarea nu este stabilita pentru a justifica interventiile minimale, mai ales in masura in care la constructiile de importanta vitala, in caz de cutremur, sunt necesare interventii structurale rezonabile sau chiar de tip maximal;
• Trebuie verificate,maiintai,capacitatile de transportaleincarcarilor gravitationale,in conditiile celor care s-au dovedit ca, in realitate, (istoric) au fost prezente si sunt prezente pentru constructia respectiva;
• Pentruincarcariledin vant pot fi luate valorile reduse la 75% fata de cele prescrise in codurile curente;
• Vor fi prezentate beneficiarului interventiile minimale, care tind sa asigure prezervarea siperpetuareaconstructiei istorice, cu minimum de cost;
• La actiunile seismice se admit evaluarile pe baza comportarii structurii in domeniul elasto-plastic (inelastic);
• Forta seismica de baza laterala echivalenta va fi calculata luand in considerare factorulR (echivalent factorului de comportare q din normele noastre);
• Forta seismica de baza nu va fi mai mare de 75% din aceea prescrisa de codurile in vigoare;
• Pentru categoriile de ocupare I si II (1-300oameni) forta seismica totala nu va depasi 0,4 G (G = greutatea constructiei luate in considerare);
• La constructiile la care se fac interventiide tip consolidare, atunci candforta seismica totala pentruinterventie este cel putin 75% din cea echivalenta in codul invigoare pentru constructiile noi, factorul de comportare q poatefiluatpentruelementelesausubansablurilenouintroduse.

La structurile cu pereti sau elemente de zidarie nearmata, pentru constructii existente cu probabilitatea de excedere, atunci cand nu sunt facute teste de catre societati autorizate (rezistente de calcul pentru proiectare la compresiune: 7,0 daN/cm2 si forfecare: 0,6 daN/cm2), se pot lua prevederi din codul Californiei.

In (4), Guide for the Structural Rehabilitation of Heritage Buildings, intocmit de un grup al Comisiei Europene CIB W023, pe langa evaluarile calitative importante, sunt efectuate evaluari calitative prin calcul si propuneri de interventie:

Principii:

• Atunci cand se doreste sa fie imbunatatita performanta constructiei, interventiile la constructiile istorice pot fi inplaja de la intretinerea speciala la o reabilitare
  substantiala;
• Printre aspectele obisnuite care conduclanecesitatea interventiilor, precum avarii vizibile,avariidupa cutremurecareafecteaza stabilitatea constructiei, apare, in plus, necesitatea schimbarii functiunii cu cerinte de performante sporite;
• Cerintesporite, datorita maririi actiunilor (cutremure, trafic etc.) impuse de codurile noi;
• Criteriilepentruinterventiibazatepedocumentul Cartei de la Venetia (1964) – sesubliniaza urmatoarele principii:

– garantarea sigurantei structurale

– respectarea valorii culturale a constructiei

– interventii minimale

– reversibilitatea interventiilor

– integrarea intregii constructii

– compatibilitatea materialelor

– costul minim

De cele mai multe ori aceste principii nu se pot aplica simultan, deoarece sunt conflictuale si atunci este mai bine sa fie considerate ca termeni de referinta pentru interventii.

Metodologia de interventii contine, in general, urmatoarele faze:

• Strangerea documentatiei despre constructie;
• Releveul sidateledespreconstructieinconditiile existente;
• Elaborareadiagnosticului,a stariiactualea constructiei (cu efectuareaeventuala testelor);
• Evaluarea sigurantei structurale;
• Proiectarea solutiilor de interventie;
• Executarea interventiilor.

Metode de evaluare cantitativa

Modelarile recomandate sunt cele corespunzatoare:

– modelari simplificate, prin calcul manual sau metode grafice, bazate pe conditii statice de echilibru

– modelarea pe baze de elemente finite pentru mediu continuu

– modelare cu macro-elemente, cu luarea in considerare a actiunilor in plan si perpendicular pe plan

– evaluare, pe baza de valori statice liniare si neliniare, pentru fatade, hale sau domuri

• La constructiileflexibile,caturnurisauturle, in care modurile superioare au un rolimportantindeterminareaexplicarii comportarii constructiilor la actiuni seismice, sunt necesareanalizemodaleplanesau spatiale;
• Incazulunorconstructiicomplexesunt necesare evaluaripebaze static neliniare (pushover), cudistributiademasa liniara (dreptunghiulara) sau conformprimului mod de vibratie (triunghiulara);
• La structuri la care modurile superioareauocontributieimportanta iar analiza dinamica pe baza modelului cu o singura masa nu este corespunzatoare, se foloseste analiza dinamica directa cu mai multe mase.

Rezistenta materialelor componente

• Pentru determinarea rezistentei materialelor componente ale elementelor structurilor se pleaca de la valorile caracteristice ale materialelor;
• Se considera valoare caracteristica valoarea cea mai mica din doua sau media celor doua impartita la 1.2;
• Se vor face cel putin doua determinari;
• Pentru rezistenta de calcul se iau in considerare coeficienti sub forma de factor de incredere:

– C_F = 1,1 pentru determinari in situ sau laborator – pentru un test pe fiecare nivel al constructiei analizate, pentru structuri de zidarie

– C_F = 1,35 pentru determinarea in situ sau laborator a unui test pe fiecare nivel al unei constructii similare, facand parte sau din apropiere pentru structuri de zidarie

– Pentru situatii intermediare este recomandata o medie a celor doua valori

– Pentru structuri din lemn, C_F = 1,1 sau 1,3, iar pentru structuri din otel C_F = 1,0 sau 1,1, cu modulii de elasticitate E sau G, se iau ca valori de referinta valorile medii ale acestora.

Actiuni

• Pentru actiuni gravitationale sau altele decat cele seismice, se iau cele corespunzatoare din codurile pentru constructiile noi.
• Nivelul actiunii seismice se ia in functie de durata de viata preconizata a fi in functiune in momentul evaluarii, categoria de importanta, expunere si nivelul efectiv alseismicitatii din zona.
• Ca factori de reducere de referinta se pot lua y_in = 0,7 pentru zone cu a_g = 0,3 g si y_in = 1,0 pentru zone cu a_g = 0,1 g iar pentru situatii intermediare se iau valori ale factorilor de reducere intermediari.
• Pentru a lua in considerare importanta constructiei si expunerea, se multiplica valorile de mai sus cu factorii y_r = 0,7 la constructiile de importanta joasa sau medie si cu y_r = 1,0 la constructiile de importanta ridicata.
• Ca factori de comportare se iau, de regula, q₀ = 1,5 – 2,0.
• Acestia pot fi multiplicati cu factorii de suprarezistenta, care pot fi 1,5 pentru constructii cu pereti structurali conectati cu diafragme intermediare cu conectari efectivebune si 1,2 atunci cand aceste conectari nu sunt garantate.
• In alte situatii factorul de suprarezistenta se ia egal cu 1,0.
• Pentru actiuni, factorul partial de siguranta se ia egal cu acela pentru constructiile noi.
• Totusi, atunci cand se fac cercetari si determinari complete pentru constructii istorice, se pot considera, pentru actiunile permanente, factorul y_f = 1,2, iar pentru actiunea seismica y_r = 1,0.
• Evaluarea sigurantei se face ca si pentru constructiile noi, comparand cerinta data de actiuni E_d cu capacitati de rezistenta date de materialele elementelor structurale R„.

Interventii

• In cazul degradarilor produse de avarii si al consolidarilor, interventiile se fac sub forma de reparatii.
• Reparatiile se fac sub forma de injectari, matari sau reteseri.
• Atentie la reparatiile zonelor in care mortarul existent contine gips; in acest caz nu sunt admisereparatiile cu ciment.
• Pentru reparatiile superficiale ale elementelor de zidarie se pot intrebuinta emulsii chimice (de exemplu silicati).
• Degradarile biologice pot fi tratate cu biocidizari; laser.
• In cazul infiltratiilorsi al umiditatii cauzate de capilaritati, la elementele si subsistemele de zidarie care pornesc in general de la fundatii, se folosesc injectari aplicate cu diferite metode, ca hidro-activare bazata pe rasini poliuretanice.
• Se folosesc, de asemenea, drenaje, injectari si desalinizari ale fundatiilor si terenului inconjurator.
• La consolidari ale peretilor multistrat se utilizeaza conectori din otel si bolturi ancorate, care sa intersecteze fisurile si crapaturile.
• Se pot face consolidari folosind si retele de bare metalice sau fibre de carbon aplicate pe fetele elementelor sauuneori, sisteme de sprijinire; de asemenea, sisteme de tiranti la arce si bolti, precum si consolidarea boltilor de zidarie cu nervuri dinlemn laminat.
• Consolidarea grinzilor din lemnsau beton armat se poate face si cu benzi sau panze din fibre de carbon.
• Pentru sistemul de fundatii se folosesc subfundari, micropiloti sau piloti, precum si introducere de elemente verticale si orizontale din beton armat.
• Sunt, de asemenea, posibile consolidari cu pereti, cu contravantuiri din beton armat sau metalice sau adaugiri de retele spatiale metalice, care sa lucreze impreuna cu sistemul structural al constructiei existente.
• Se pot introduce sisteme de izolare a bazei, la care sa se adauge sisteme de disipare prin amortizori.
• De asemenea, se pot folosi amortizori vasco-elastici in legaturi, cu adaugarea de cadre speciale metalice legate de elemente alestructurilor existente.
• Pentru planseele din lemn, pe langa sistemul de tiranti care sa lege peretii structurali de zidarie, se pot folosi retele metalice de contravantuiri in plan, legate corespunzator de peretii de zidarie.

In (5), programul PERPETUATE, inceput in 2009 (consortiu de 6 universitati) si aflat in curs de desfasurare, se introduc criterii de performanta pentru evaluare si propuneri de interventii structurale la constructiile, respectiv structurile istorice.

Principii

Principiul de baza este evaluarea constructiilor istorice pe criterii de performanta, considerand atat constructia in ansamblu, cat si componente artistice luate separat sau integrate in constructie.

Metode de evaluare prin calcul

• Camodelde calculselucreaza curelatiaforta – deformatie sub forma de infasuratoare aunui calcul biografic (pushover) sau cu analiza dinamica directa incrementala.
• Suntpropusetreigrupurideniveluride performanta (U; B;A)carese adreseaza expunerii (folosirii): viataumana (U), protectia (conservarea) cladirii (B), protectia (conservarea) componentelor artistice (A).
• Pentruactiuneaseismica se preconizeaza folosirea analizei probabilistice a hazardului de la care sa se foloseasca, pe baza de perioade medii de revenire (intervale medii de recurenta), intensitati sub forma de acceleratii devarfaleterenului (PGA), acceleratii spectralemaxime,deplasari spectrale maxime etc.
• In caz ca se utilizeaza evaluarea statica neliniara, se folosesc spectre de raspuns in acceleratii – deplasari.
• Suntluatiinconsiderarefactoriide performanta, in functie de diferiteniveluri de hazard.
• In functiedeperioademediiderevenire (intervale mediiderecurenta, factorideperformanta), rezulta probabilitatidedepasire conditionate de timpul normat de 50deaniaintensitatiialese; de regula, acceleratiile de varf ale terenului.
• Pentruevaluareacapacitatilorstructurilor istorice se iau in considerare sase clase:

1. Tipul cutie inchisa (box type)
2. Tipul de sala realizata din macroelemente
3. Constructii svelte
4. Structuri in arce
5. Structuri masive
6. Structuri bloc

Descrierea continutului Codului de evaluare si propuneri de interventii structurale la lucrarile de restaurare ale structurilor constructiilor istorice

La elaborarea propunerilor pentru acest cod s-a plecat de la continutul metodologiei MP-4/25-2004, care a insemnat rezultatul acumularilor noastre in decursul a 30 de ani.

In propunerile pentru cod apar acumularile firesti ale prevederii pana la noua redactare.

Propunerile de cod sunt cuprinse in sapte capitole:

I Prezentarea generala;

II Incarcari si actiuni pentru calculul constructiilor istorice;

III Conceptul de performanta pentru constructii istorice;

IV Colectarea informatiilor necesare pentru expertizarea constructiilor istorice;

V Evaluarea calitativa a sigurantei structurale disponibile a constructiilor istorice;

VI Evaluarea analitica prin calcul a sigurantei constructiilor istorice;

VII Solutii cadru de interventii structurale pentru reabilitarea seismica a constructiilor istorice.

Sunt, de asemenea, 4 anexe:

• Anexa A, impartita in doua parti, A1 Actiuni si incarcari de proiectare si A2 Proprietati mecanice de rezistenta si deformabilitate ale materialelor de constructie;
• AnexaB:Tipologia afectarii integritatii fizice / avarierea constructiilor istorice din Romania;
• Anexa C: Procedee pentru determinarea proprietatilor fizico-mecanice ale zidariilor istorice;
• Anexa D:Metode de evaluare analitica prin calcul pe principiul trierii, prin modelari si evaluari specifice constructiilor istorice.

Asa cum am mentionat anterior, propunerile pentru noul cod pornesc de la principiile si prevederile de baza ale metodologiei MP-4/25-2004, avand actualizari, completari si prevederi noi, dintre care le mentionam in continuare pe cele mai importante.

• IncapitolulII – uneleprecizariprivindposibile reduceri de incarcari fata de acelea pentru constructiile noi;
• In capitolul III – introducerea conceptului deevaluare prin calcul, cu ajutorul specificului preponderent al criteriilor de performanta privind raspunsul laactiunile seismice.

Se face, astfel, o legatura cu evaluarile de rezilienta.

Pentru hazardul seismic sunt date valorile acceleratiei terenului pentru proiectare, a_g – pentru intervalele medii de recurenta la cutremurul frecvent IMR = 40 ani (asociat SLS), cutremur standard IMR = 100 ani (asociat SLU), cutremurul rar IMR = 475 ani asociat stadiului de precolaps corespunzator normativului P100-1/2006.

In momentul de fata se lucreaza la revizuirea normativului P100-3/2008 (redactarea I a revizuirii) in care este prevazuta luarea in considerare a acceleratiei terenului, conform P100-1/2013 in loc de P100-1/2006, cu reducerea, insa, a pragurilor maxime pentru constructiile existente, in asa fel incat hazardul maxim luat in considerare sa nu se modifice.

• In capitolul IV – pentru nivelul de cunoastere sefoloseste, cuprecaderepentruconstructii istorice, C_F = 1,20 pentru toate cazurile in care se pot realiza incercari pe materiale si 1,35 atunci cand nu se pot realiza deloc incercari (plecand de la valori stabilite de expertul atestat).
• IncapitolulV,care serefera la evaluarilecalitative, acestea sunt puse in valoare pentrudeterminarea gradului de asigurare global R_global, prin echivalarea punctajului cu coeficientii partiali de siguranta pentru R₁ si R₂.
• LacapitolulVI,carecuprindeevaluarile analiticeprincalcul,suntinglobatitoti coeficientii amintiti in capitolele precedente pentrucerinte,respectivcapacitati,atat pentruactiunile inplanulperetilor,cat si perpendicular pe planul acestora, cu folosireacoeficientilor R_global, atunci cand ne referim la calculul global, adica in R_global sunt inclusi coeficientii R₁, R₂ si R₃ sau numai R₃ atunci cand calculul se face pentru elemente luate separat. Acesta este si cazul care apare atunci cand avem actiunea perpendiculara pe planul peretilor si cand nu avem diafragme orizontale rigide la nivelul planseelor.
• CapitolulVIIserefera lasolutiiledeinterventii pentru structurile istorice.

Interventiile structurale pot fi sub forma de reparatii sau consolidari. Reparatiile sunt proprii interventiilor care restabilesc sau imbunatatesc cu precadere caracteristicile de rigiditate ale structurii, de la injectari sub diferite forme, matari, sau inlocuiri partiale de material compatibil la interventii sub forma de de consolidari.

Acestea sunt executate sub diferite forme, cu respectarea, ca si in cazul reparatiilor, a principiilor fundamentale de restaurare, compatibilitate, reversibilitate si proportia de inlocuiri de material cat mai redusa.

Ele cuprind interventii cu elemente din materiale traditionale sau elemente cu materiale noi, compatibile, pana la izolarea bazei constructiilor, cu introducerea de disipatori cu diferite caracteristici.

In anexele de la A la D, cu caracter normativ sau informativ sunt date explicatii suplimentare si detalieri la capitolele de baza ale codului, menite sa faciliteze intelegerea si aplicarea acestuia.

Sunt amintite printre acestea, din anexa D, legea intrinseca τ-σ actualizata, care a fost si este, in continuare, o relatie originala, validata de cercetari si rezultatele experientelor actuale, relatiile date pentru calculul proeminentelor (turle, turnuri legate de corpul bisericilor), calculul arcelor, boltilor cu sau fara tiranti, relatiile de evaluare a ansamblului structura, incluzand fundatiile pe mediul elastic, legi histeretice specifice pentru calculul cu element finit, modelarea biela-tirant.

Concluzii

Propunerea de cod pentru structurile istorice, adresata cu precadere evaluarilor bazate pe criterii de performanta pentru actiunile seismice, are menirea de a realiza o abordare specifica pentru constructiile istorice, atunci cand se executa restaurarea lor, in urma, mai ales, a cutremurelor majore. Este o abordare in concordanta cu conditiile de la noi din tara, respectiv in care doua treimi din teritoriu este supus periodic, de 2-3 ori pe secol, la cutremure majore, cu accent pe evaluarea prin calcul pentru stadiul de colaps.

Abordarea interventiilor structurale, in cadrul lucrarilor de restaurare, este realista, cu accent pe evaluari cantitative, prin calcul, specifice disciplinei ingineresti pe care o reprezentam in cadrul echipelor de restaurare, opusa principiului interventiilor minimale sau neinterventiilor, bazate numai pe evaluari calitative.

Se subliniaza aspectul efectuarii evaluarilor analitice prin calcul, folosind propunerea noastra, ca fiind mai realiste, cu marje de 50%-150% in plus fata de evaluarile din P100-1 sau CR-6, pentru constructiile cu structuri din zidarie nearmata.

Bibliografie

(1) Recomandari privind analiza, conservarea si restaurarea structurala a patrimoniului arhitectural, ICOMOS, 2002;

(2) California Historical Building Code 2014;

(3) California Existing Building Code 2013;

(4) Guide for the Structural Rehabilitation of Heritage Buildings European CIB-Comision;

(5) PERPETUATE, Performance – Based Approach to the Earthquake Protection of Cultural Heritage in European and Mediterranean Countries, 2012-2016;

(6) Metodologia MP-4/25-2004 – Metodologie pentru evaluarea riscului si propunerile de interventie necesare la structurile constructiilor monumente istorice in cadrul lucrarilor de restaurare ale acestora.

(Din AICPS Review 3/2017)

Autori:
Mircea Mironescu,
Adrian Mircea Stanescu,
Teodor Brotea,
Radu Comanescu,
Daniel Purdea,
Mircea V. Stanescu,
Roxana M. Iorgoaia – MIRO GRUP SRL 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 155 – ianuarie-februarie 2019, pag. 56