Introducere in investigarea accidentelor structurale

MOTTO: „Numeroase greseli se repeta spre paguba societatii”

Activitatile pe care le desfasoara un expert in investigarea accidentelor structurale cer mare atentie si efort, fiindca este extrem de dificil sa cauti dovezi printre mormane de moloz si sa indici cauza colapsului. Pe de alta parte, aceasta munca poate fi si una demoralizatoare si stresanta, din cauza factorului uman implicat, dar si a procedurilor legale obositoare si ostile. Cursurile academice nu il pregatesc pe inginerul investigator pentru meseria aceasta dificila, pe care trebuie sa o invete din experienta sa sau a altora. Procesul de sinteza necesar in proiectare este diferit de cel analitic utilizat in investigatii; putini ingineri sunt priceputi in ambele ramuri. Inginerul expert trebuie sa fie foarte bine pregatit si sa fi studiat cat mai multe cazuri de cedare pentru a deprinde abilitatea de a inainta ipoteze. Produsul final il reprezinta comunicarea, atat verbala cat si scrisa, a rezultatelor investigatiei, printr-un raport care cuprinde toate demersurile descrise in lucrare.          

Utilizarea metodelor stiintifice avansate pentru analiza accidentelor – totale sau partiale – ale unor materiale, obiecte, structuri, reprezinta o practica de investigare des folosita. Prin acest proces de investigare se stabilesc cauzele, uneori deloc evidente, care au dus la deteriorarea obiectului analizat, deteriorare cu posibile consecinte grave materiale sau chiar pierderi de vieti omenesti [1], [4], [5].

Pionierul acestei ramuri a ingineriei este dr. Edmond Locard (1877-1966), din Franta, care a introdus in practica investigatiei metode stiintifice [4].

O importanta deosebita in acest proces investigativ o are colectarea si analiza tuturor datelor legate de materialele, produsele, componentele si structurile implicate in colaps. Astfel, este necesara inspectarea si colectarea probelor, efectuarea de masuratori si incercari, realizarea diverselor experimente, toate aceste demersuri fiind executate preferabil intr-un laborator universitar acreditat [2], [3].

Dupa colectarea datelor incepe procesul de analiza, de inaintare de scenarii. Sunt mai multe metode de analiza a accidentului, cum ar fi: FMEA (Failure Mode an Effect Analysis) sau analiza copac (fault tree analysis). Prin corelatie, cele mai mici detalii pot oferi informatii extrem de importante.

ACCIDENTE STRUCTURALE SI INVESTIGAREA LOR

In cazul accidentelor, parerea expertului este ceruta pentru a determina cauza neperformantei si pentru a recomanda o solutie. De multe ori, un asemenea expert este angajat de catre institutiile de stat, pentru a oferi cetatenilor o explicatie viabila, in cazul unui accident. O investigatie poate fi ceruta si de catre diverse categorii de beneficiari: proprietari, chiriasi, investitori, avocati, companii de asigurare, invinuiti in cadrul proceselor de litigiu, producatori de materiale, proiectanti sau contractori.

Inginerii experti sunt solicitati, in general, pentru a investiga doua tipuri de cauze ale accidentului: cele ale aspectului tehnic si cele ale aspectului procedural.

Cauzele aspectului tehnic al accidentelor se refera la investigarea componentelor fizice care cedeaza si produc colapsul.

Cauzele aspectului procedural sunt: erori umane, comunicare ineficienta, proiectare, construire sau mentenanta neadecvata, greseli care conduc la cauzele tehnice ale colapsului.

Determinarea aspectelor de natura procedurala este de cele mai multe ori partea cea mai dificila intr-un proces de investigare structurala, dar este o etapa extrem de importanta, pentru a putea evita in viitor astfel de greseli.

INVESTIGAREA ACCIDENTELOR

Inginerii expererti structuristi sunt solicitati atunci cand o constructie cedeaza, pentru a determina cauza accidentului sau pentru a propune solutii de reabilitare eficienta a structurii. In cadrul unui proces, inginerul expert isi prezinta opinia asupra accidentului structural, insa parerea lui poate fi luata sau nu in considerare de catre judecator.

Pentru a determina cauzele tehnice ale accidentelor, se analizeaza:

• modul si secventa cedarii;
• incarcarile care actioneaza pe structura in momentul cedarii;
• capacitatea structurii in momentul cedarii.

Acest proces presupune inaintarea de ipoteze privind cauza cedarii, analiza fiecareia in parte si eliminarea succesiva a acelor ipoteze care nu corespund cu probele prelevate. Daca in urma investigatiei se dezvaluie ca un anumit element a fost solicitat peste capacitatea sa portanta si daca mecanismul de cedare este singular si este in concordanta cu succesiunea evenimentelor care au condus la colaps, atunci se poate spune ca a fost rezolvat cazul.

Cand analizam un colaps nu putem gandi ca un proiectant, nu avem libertatea de a impune structurii un anumit mod de comportare. In plus, investigatorul trebuie sa ia in considerare faptul ca, de regula, materialele dispun de capacitati suplimentare, mai mari decat minimul specificat in coduri. Astfel, elementele sunt redundante, preiau si incarcare suplimentara si se pot comporta diferit fata de modelul gandit. Modelul clasic de calcul nu este suficient pentru o investigatie, fiind necesara o precizie mult mai mare si o analiza mai amanuntita.

Stabilirea incarcarilor

Incarcarile permanente sunt determinate din cercetarile de la fata locului, uneori fiind necesara cantarirea componentelor, a materialelor. Pot exista diferente fata de proiectul initial, din cauza modificarilor aduse, a mentenantei deficiatare (inundatii, infiltratii etc).

Incarcarile utile sunt diverse si dificil de verificat. Acestea sunt colectate, notate, cantarite. De asemenea, ne putem folosi de informatiile oferite de martori, de camerele de supraveghere, care pot oferi informatii pretioase legate de succesiunea colapsului. Trebuie luate in considerare toate tipurile de incarcari suplimentare, precum temperatura, scurtarea sau alungirea elementelor, vantul, cutremurele, impactul, vibratiile unor echipamente, tasarea terenului etc.

Stabilirea capacitatii portante

In primul rand trebuie revizuite desenele initiale si verificata veridicitatea lor, pe teren, pentru a vedea daca s-au respectat dimensiunile si materialele utilizate. De asemenea, este necesara verificarea materialelor, a capacitatii portante a acestora. Structura se poate deteriora din cauza infiltratiilor, efectelor corozive si a interactiunii cu diversi agenti chimici. Determinarea capacitatii portante efective se poate face atat prin calcule cat si prin incercari.

CONSERVAREA PROBELOR

Dupa accident, constructia, pozitia, conditia sa, precum si alte circumstante devin probe. Acestea au un rol crucial in determinarea cauzelor probabile ce au generat fenomenul cedarii, precum si a factorilor care au contribuit la acestea.

Este foarte utila o priveliste aeriana de ansamblu realizata cu drone, precum si fotografierea din toate unghiurile posibile, pentru a capta inaltimile relative si a oferi o imagine 3D cat mai naturala.

O importata deosebita trebuie acordata stabilirii conditiilor existente, ca pe baza acestora sa se poata formula diverse teorii de colaps, in concordanta cu dovezile fizice.

In era digitala avem la dispozitie o multitudine de instrumente care pot mari rezolutia fotografiilor si sa ofere o claritate cat mai buna acestora.

Cu toate ca informatiile cautate difera de la accident la accident, putem identifica o serie de intrebari relevante in toate situatiile, astfel:

• starea cladirii in momentul prabusirii: structura este in constructie si trebuie determinat in ce faza se afla; toate raspunsurile trebuie confruntate cu probele;
• secventele colapsului: cunoasterea elementului care a cedat primul este un fapt de mare ajutor;
• posibile evenimente declansatoare: majoritatea colapsurilor sunt produse de evenimente mai mult sau mai putin subtile (explozii, coliziuni sau oboseala);
• activitati desfasurate in timpul colapsului;
• incarcari deosebite;
• factori de mediu: vant puternic, zapada etc.

EXPERTIZA PRELIMINARA

Dupa colectarea tuturor informatiilor initiale se poate realiza o evaluare preliminara, care consta in:

• derularea procesului, prin eliminarea progresiva a acestor informatii;
• efectuarea unei analize structurale preliminare, fie pentru a testa teoriile initiale, fie pentru a identifica alte mecanisme posibile;
• conceperea unui program de testare; trebuie evaluate elementele ce vor fi testate: cele existente (care pot fi avariate) sau altele noi cu aceleasi proprietati (a caror confectionare poate fi dificila);
• stabilirea domeniilor in care inginerul structurist va avea nevoie de ajutor suplimentar de specialitate, precum metalurgia, petrografia etc.;
• identificarea documentelor lipsa.

EXPERTIZA FINALA

Teoriile avansate in investigarea unui accident se bazeaza pe asemanarea cu accidente anterioare, insa trebuie sa fim receptivi la orice cauza posibil nemaiintalnita.

Odata cu avansarea investigatiilor si cu colectarea probelor, ipotezele inaintate sunt fie confirmate, fie desconsiderate, altele noi putand sa apara. In situatiile fericite, o singura cauza va ramane, toate celalalte fiind infirmate. Totusi, de regula nu se intampla asa, fiind posibile mai multe cauze care sa conduca la o combinatie critica.

In momentul in care ramane o singura ipoteza, se reexamineaza probele pentru a verifica daca aceasta este intr-adevar cauza colapsului.

CATEVA ACCIDENTE CU RASUNET SI COMENTARII AFERENTE

Prabusirea podului de la Quebec, Canada

Un caz ramas celebru in istoria tehnicii il reprezinta accidentul podului de peste fluviul Sf. Laurentiu, langa Quebec, survenit in ziua de 29 august 1907. Podul acesta, alcatuit din grinzi in consola, era podul cu cea mai mare deschidere, dupa metodele de calcul cunoscute si experimentate cu succes pana atunci. In special pentru fenomenul de flambaj se foloseau metode de calcul, care pana in acea vreme dadusera rezultate satisfacatoare. La ora 16.00 a acelei zile, barele comprimate ale podului au cedat si podul s-a prabusit in apa cu cele 20.000 de tone de otel, ducand la pieire lucatori, functionari, ingineri de montaj etc., in total 74 de persoane.

Accidentul de la Quebec a condus la o reconsiderare a problemei de instabilitate elastica a barelor metalice, la noi cercetari si investigatii aprofundate ale problemei si, ca urmare, la formularea unor metode de calcul mai eficiente.

Prabusirea podului Morandi (Ponte Morandi), Genova, Italia

Podul Morandi sau viaductul Polcevera era un pod de pe autostrada A10 din Genova. Acest pod, una dintre principalele legaturi cu Franta si parte din drumul european E80, traversa raul Polcevera, intre districtele Sampierdarena si Cornigliano din Genova. Viaductul a fost construit intre anii 1963 si 1967 si a fost deschis in ziua de 4 septembrie 1967.

Proiectantul podului a fost profesorul Riccardo Morandi. Podul avea o lungime de 1.102 de metri, cu tablierul situat la 45 de metri de la CTA. Podul a fost sustinut cu tiranti inclinati, ancorati de trei piloni din beton armat si avea inaltimea 90 metri. Deschiderea maxima a unei sectiuni era de 210 metri. Podul avea 4 benzi de circulatie, pe care circulau atat autovehicule cu gabarit mic cat si camione de tonaj mare. De asemenea, fusesera introduse masuri pentru marirea partii carosabile, in vederea fluidizarii traficului rutier.

In general podurile profesorului Morandi au un numar mic de tiranti inclinati (hobane), iar podul de la Genova avea doar doi (fig. 1 si 2).

Pe 14 august 2018, o sectiune de 210 metri din pod s-a prabusit partial, omorand 43 de oameni. De altfel, in momentul prabusirii se lucra la consolidarea podului (fig. 3).

Cauzele prabusirii inca nu sunt eluciadate in totalitate. Expertizele preliminare presupun degradari structurale din oboseala, coroziunea otelului si a betonului, probleme de infrastructura in corelare cu straturile de fundare, precum si o crestere exponentiala a traficului de mare tonaj, fata de traficul considerat la proiectare. O alta cauza care a contribuit la degradari structurale ar putea fi poluarea si apropierea de mare.

Podul era in curs de intretinere la momentul colapsului. Martorii oculari au raportat o furtuna cu intensitate deosebita, insotita de lovituri de fulger. Analiza secventelor video capturate de camerele de securitate arata ca primul element portant care a cedat a fost un tirant inclinat de sustinere, care a generat o solicitare brusca perpendiculara pe axa acestuia, provocand rotirea tablierului cu 180 de grade si prabusirea pilonului si a tablierului. In urma solicitarii de torsiune au cedat si tirantii de pe partea opusa a podului si pilonul de sustinere.

Trebuie remarcata calitatea slaba a materialelor structurale folosite si utilizarea unui numar mic de hobane (tiranti inclinati), in comparatie cu podurile hobanate de azi, care sunt sustinute de un numar mare de tiranti, astfel incat daca unul cedeaza, structura ramane stabila.

Prabusirea podului de la Miami, Florida, USA

Podul sub forma de pasarela de cca. 950 de tone, cu doua deschideri si o lungime totala de 98 de metri, a fost conceput pentru a rezolva circulatia studentilor Universitatii Internatioanale din Florida (FIU), (fig. 4, 5).

Podul pasarela a fost conceput din beton post tensionat si ridicat prin folosirea asa-zisei metode de construire accelerata (Accelarated Bridge Solution) pentru a evita perturbarea traficului, intrucat acesta traversa o autostrada si un canal de apa.

Pasarela trebuia sa „mimeze” un pod hobanat, unde hobanele (tirantii inclinati) nu aveau rol structural, ci pur estetic, urmand sa fie realizate din teava din otel. In acest mod structura de rezistenta reala a fost conceputa ca o grinda cu zabrele, dar, pentru a fi in concordanta cu structura, diagonalelor li s-a conferit o tipologie speciala.

In data de 15 martie 2018 dechiderea principala, de 54 de metri, a pasarelei s-a prabusit peste 8 autovehicule care stationau la semafor (fig. 6, 7).

Cauzele prabusirii inca nu sunt elucidate in totalitate. Cercetarile preliminare au constatat ca cedarea s-a produs ca urmare a subdimensionarii diagonalei de reazem si racordarii ei cu pilonul central.

Expertizele preliminare arata ca pincipala cauza o reprezinta aparitia unor tensiuni mari, care au generat fisuri si crapaturi pararele intr-un punct cheie, adica este vorba de o gresala de proiectare prin care a fost supraestimata capacitatea unei sectiuni majore a unui element structural si au fost subestimate incarcarile pe care podul urma sa le suporte.

Accidente la structuri de transport pe cabluri

Astfel de accidente au avut loc in: Brazilia, Sao Paulo, Santos, Monte Serrate (1947), USA, New Hampshire, Rowe Mountain (1956), Elvetia, Bettmeralp (1972), Italia, Cavalese (1976), Georgia, Tbilisi (1990), Canada, Quebec (1996), Spania, Parcul National din Sierra Nevada.

Concluzii

• Pentru inginerii tineri, cu o foarte buna pregatire inginereasca (teoretica), matematica si in tehnica de calcul, exista pericolul de a considera calculul ca fiind singurul lucru important in conceperea si proiectarea unei structuri. Spre deosebire de alte ramuri industriale ale tehnicii, constructorul nu poate beneficia de posibilitatea rebuturilor. Legile naturale pe care le are de infruntat sunt inexorabile si sanctiunea lor este imediata si fara apel.
• Investigarea accidentelor structurale are mai multe scopuri: de a rezolva disputele dintre partile in cauza, de a diagnostica o problema astfel incat proprietarul sa poata face reparatiile necesare sau de a contribui cu informatii legate de cedari pentru viitor.
• Activitatile pe care le desfasoara un astfel de inginer expert cer o mare atentie. Este extrem de dificil sa cauti dovezi printre mormane de moloz si sa indici cauza colapsului. Pe de alta parte, aceasta munca poate fi demoralizatoare si stresanta, ca urmare a factorului uman implicat, dar si a procedurilor legale, obositoare si ostile.
• Cursurile academice nu il pregatesc pe inginerul investigator pentru meseria sa dificila. El trebuie sa invete din experienta, a sa sau a altora. Procesul de sinteza necesar in proiectare este diferit de cel analitic utilizat in investigatii; putini ingineri sunt priceputi in ambele ramuri. De asemena, inginerul investigator trebuie sa fie foarte bine pregatit si sa studieze cat mai multe cazuri de cedare pentru a deprinde abilitatea de a inainta ipoteze.
• Exista modalitati si proceduri pentru a investiga accidentele, insa investigatiile nu se pot reduce la prescriptiile din standarde; fiecare caz trebuie studiat in parte cu o atentie deosebita. Aceste investigatii reprezinta un proces iterativ de colectare de informatii, formare de ipoteze de cedare, testari si analize complexe, verificarea ipotezelor. Scopul acestor demersuri este acela de a determina incarcarile si factorii de mediu care au actionat pe structura in momentul prabusirii, de a stabili rezistenta componentelor structurii si, prin eliminarea sau confirmarea ipotezelor, sa se ajunga la cauza/cauzele colapsului.
• In realizarea unei constructii inginerii proiectanti au avut si vor avea de luptat cu multe elemente neprevazute sau greu de prevazut (fenomene naturale: seism, vant, inundatii, respectiv greseli inerente ale fiintei umane).
• Introducerea unor noi produse, sisteme constructive sau procedee de executie a ridicat si probleme tehnice noi, legate de proprietatile si controlul calitatii acestora, precum si domeniul rational de utilizare. Trebuie remarcat faptul ca nu au fost cercetate in profunzime conditiile specifice de punere in opera, modul de comportare in timp sub raportul durabilitatii, fiabilitatii si mentinerii in timp a caracteristicilor de calitate. Necunoasterea acestor noi probleme a condus la accidente sau avarii.
• Luarea unor masuri corespunzatoare pentru prevenirea si inlaturarea cauzelor greselilor, precum si a accidentelor care le pot produce are o importanta decisiva. Multe dintre accidentele sau avariile prezentate puteau fi evitate daca se luau din timp masuri corespunzatoare de prevenire, de suprimare a cauzei sau de reparare imediata a defectiunilor.

Bibliografie

1. Kopenetz L., Arhiva personala, 1970-2019;
2. Tologea S., Probleme privind patologia si terapeutica constructiilor. Accidente si avarii in constructii. Vol II, Editura Tehnica, Bucuresti, 1980;
3. Kopenetz L., Cladiri inalte si cladiri cu deschideri mari. Note de curs la Master Structuri si Master Tehnologii speciale, Universitatea Tehnica, Facultatea de Constructii, Cluj-Napoca, 2010-2019;
4. Eberst Karina, Calin A.C., Prundus Carmina, Budau C., Ivascu N., Disertatii la Master Structuri si Master Tehnologii speciale, Universitatea Tehnica, Facultatea de Constructii, Cluj-Napoca, 2011-2017;
5. Dusenberry, D.O., Practical Means for Collapse Prevention. NISTIR7396 Best Practices for Reducing the Potential for Progressive Collapse in Buildings, U.S. Department of Commerce, Washington D.C., 2007.

Autori:
prof. em. dr. ing. Ludovic Kopenetz – Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca
prof. em. dr. ing. Alexandru Catarig, Membru corespondent al Academiei de Stiinte Tehnice, Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 171 – iulie 2020, pag. 22