Viabilitatea silozurilor de cereale din beton armat

Silozurile de cereale din beton armat au reprezentat in perioada construirii o solutie performanta, eleganta si durabila. Pana in anul 1989 au fost construite sute de astfel de structuri pe teritoriul Romaniei, majoritatea lor fiind inca functionale, desi varsta celui mai nou siloz din beton armat depaseste 30 de ani. Silozurile din beton armat pentru cereale au dovedit o comportare favorabila la actiuni seismice. Cu toate acestea, solicitarile provenite din utilizarea curenta, insotite in unele cazuri de conditii de executie defectuoase, au condus la o vulnerabilitate ridicata, ce pune sub semnul intrebarii posibilitatea de utilizare pe o perioada nedeterminata a acestora, in lipsa unor interventii structurale de anvergura. 

Necesitatea utilizarii unor structuri pentru depozitarea cerealelor este strans legata de dezvoltarea agriculturii si de evolutia societatii. Odata cu aparitia betonului armat, a devenit posibila edificarea unor silozuri cu capacitati de stocare crescute si cu performante superioare. Silozurile din beton armat au reprezentat solutia uzuala folosita in secolul XX in Romania pentru depozitarea cerealelor. Construirea acestui tip de structuri a fost demarata cu mult timp inainte de cel de al doilea razboi mondial, dezvoltata si utilizata pe scara larga in perioada 1950 – 1989 si practic abandonata dupa 1989.

Scurt istoric

In Romania, primele constructii de acest tip dateaza inca din secolul XIX, odata cu realizarea unor silozuri din beton armat in porturile Braila si Galati. Aceste silozuri au fost proiectate de catre inginerul Anghel Saligny, fiind construite intre 1886 si 1910. Aceste silozuri aveau o capacitate de aproximativ 25.000 tone, avand un sistem structural din beton armat, monobloc. Celulele silozurilor au fost realizate din elemente prefabricate hexagonale cu grosimea peretelui de 8-12 cm si o inaltime de 1,00 m, conectate intre ele pe inaltime, fundatie cu radier general de 1,50 m si piloti din lemn de stejar. Ulterior, au mai fost realizate doua silozuri in portul Constanta, cu capacitatea de 30.000 tone, proiectate tot de inginerul Saligny. Aceasta a fost prima etapa de construire a silozurilor din beton armat din tara noastra.

In perioada interbelica a aparut necesitatea extinderii retelei nationale de stocare de cereale, datorita productiei intense din acea perioada. Astfel, s-a formulat strategia de a dezvolta mai multe silozuri, in afara de cele din porturi, chiar cu o capacitate inferioara celor proiectate de Anghel Saligny. Intre 1936 si 1946 au fost proiectate si executate nu mai putin de 44 silozuri. 31 dintre acestea au fost proiectate de catre o companie germana (Suka Silo Bau), dintre care 25 fiind cunoscute la acea perioada ca silozuri de tip SUKA I (cu o capacitate de 4.000 – 6.000 tone) iar 6 ca silozuri de tip SUKA II (cu o capacitate de 8.000 – 10.000 tone). Alte 5 silozuri au fost realizate de catre o companie franceza (Froment Clavier), restul de 8 fiind realizate de catre Administratia comerciala a porturilor (PCA). Aceasta dezvoltare se constituie in cea de a doua etapa a construirii de silozuri de beton armat. Silozurile de tip SUKA I au celule de forma rectangulara (cu latura de aproximativ 3,00 m) alcatuite din elemente de zidarie cu stalpi de beton armat la colturi, in timp ce turnul masinilor este realizat din zidarie si cu plansee din beton armat.

Silozurile de tip SUKA I au cate o baterie de celule, turnul masinilor fiind amplasat la una dintre extremitatile acesteia. Silozurile de tip SUKA II au cate doua baterii de celule, cu turnul masinilor amplasat intre baterii. Constructiile realizate in solutia franceza Froment Clavier au celule dodecagonale cu latura de 1,00 m. Celulele sunt realizate din doua straturi de beton prefabricat la exterior, cu spatii intre ele, pentru termoizolare, si un strat de beton armat monolit la interior. Silozurile realizate de PCA urmaresc in principiu proiectul tip SUKA I, inlocuind doar elementele de zidarie din peretii celulelor cu elemente din beton armat.

In perioada postbelica a debutat cea de a treia etapa a construirii de silozuri din beton armat din Romania, prin realizarea, intre 1961 si 1962, a silozurilor de tip IPCT I. Aceste constructii au fost o extensie a proiectului PCA, prin construirea unei a doua baterii de celule in continuarea celei edificate de PCA, de regula simetrica in raport cu turnul masinilor si folosind functionalitatea acestuia. Bateriile de tip IPCT I au cate 6 celule cilindrice, dispuse pe doua randuri, realizate din beton armat monolit, cu diametrul exterior de 7,50 m si o inaltime de 23,20 m, capacitatea unei celule fiind astfel de 750 tone. Ulterior s-au folosit si spatiile dintre celulele cilindrice, numite celule stelate. Solutia de fundare pentru acest tip de silozuri a fost un radier general cu grosimea de 80 cm in cazul conditiilor dificile de fundare sau fundatii cu grinzi continue in cazul conditiilor favorabile de fundare.

Cea de-a patra si ultima etapa de construire a silozurilor de beton armat din Romania a avut loc intre 1962 si 1991, dupa 1991 sistandu-se construirea de astfel de structuri. In aceasta etapa s-au construit silozuri de mare capacitate (intre 20.000 si 50.000 tone), doar din beton armat iar tehnologia folosita la realizare a fost cea a cofrajelor glisante. In prima parte a celei de-a patra etape s-au construit silozuri de tip IPCMC I, cu o capacitate intre 20.000 si 30.000 tone, organizata in patru baterii de celule. Fiecare dintre baterii contine patru, sase sau noua celule cu un diametru interior de 7,25 m si o inaltime intre 20 si 30 metri. Peretii din beton armat ai celulelor au grosimea de 17 cm. Dupa 1966 a fost adaptata o configuratie utilizata curent la silozurile din Canada si Statele Unite ale Americii, adaptata la standardele romanesti. Aceasta configuratie este cunoscuta ca silozuri de tip IPCMC II.

Acest tip de siloz (probabil si cel mai intalnit pe teritoriul Romaniei) are o capacitate intre 25.000 si 50.000 tone, organizata in doua pana la cinci baterii de celule. Fiecare baterie contine 9 sau 12 celule cilindrice, dispuse pe trei randuri, la o distanta intre centrele cercurilor de 7,50 m. Inaltimea celulelor este cuprinsa intre 24 si 42 m, peretii celulelor avand 18 cm. Intre celulele cilindrice sunt prezenti pereti de beton armat de 22 cm grosime ce creeaza la interior celule „stelate”. Pe marginea bateriilor se creeaza celule „buzunar” marginite de celulele cilindrice. Turnul masinilor devine o cladire separata, cu 11-12 niveluri, realizata din cadre de beton armat. Au mai existat modificari ale proiectului tip ICPMC II, – silozuri tip ICPMC III – cu turnul masinilor suprapus pe bateria centrala sau variantele IPCT II si IPCT III, dar acestea au fost in general variatii minore ale proiectului ICPMC II, materializat dupa cunostintele tehnice dobandite de catre inginerii romani in urma studiilor si practicii efectuate in Canada si Statele Unite ale Americii.

Este de mentionat ca dupa cutremurul de pamant din 1977 nu au fost modificari substantiale in proiectarea acestor silozuri, majoritatea dintre ele prezentand avarii minore sau moderate ale unor subansambluri structurale, nefiind inregistrat niciun colaps sau avariere majora a acestui tip de structuri.

Alcatuirea de principiu a silozurilor de cereale din beton armat

Indiferent de anul realizarii si de tipul de structura folosit, toate silozurile prezinta, in principiu, aceeasi alcatuire functionala, constand din urmatoarele subansamble:

1. a) bateria de celule formata din:

• galeria inferioara, cu rol de descarcare si colectare a cerealelor stocate. De regula, galeria inferioara este o structura ce se poate dezvolta pe un etaj sau doua, cu stalpi din beton armat si plansee cu capiteluri cu dimensiuni variabile (plansee „ciuperca”), fara grinzi. Stalpii reazema direct pe radier;
• celulele de depozitare cu inaltimi intre 16 si 40 m, cu forme in plan circulare sau poligonale;
• galeria superioara, cu rol de transport si distribuire a cerealelor in celule. De regula, galeria superioara este o structura dezvoltata pe doua etaje, alcatuita din cadre de beton armat sau metalice.

1. b) turnul masinilor continand echipamentele necesare functionarii silozului. In unele cazuri turnul masinilor poate incorpora si unele buncare cu dimensiuni reduse. Structura turnului masinilor este uzual realizata cu cadre din beton armat si pereti din zidarie. Turnul masinilor poate fi o structura independenta, amplasata adiacent silozului sau poate fi amplasata pe o baterie de celule.

Functionarea structurala a silozurilor din beton armat

Pe durata existentei, silozurile din beton armat sunt supuse la solicitari complexe generate de actiuni curente, in special cu grad mare de repetabilitate (actiuni generate de incarcarea si descarcarea celulelor), dar si la actiuni cu frecventa mai redusa (tasari inegale, actiuni climatice, actiunea seismica).

Conceptul de baza aplicat in proiectarea silozurilor este acela al prezentei doar a eforturilor de intindere in peretii celulelor, fundamentat pe incarcarea si descarcarea uniforma a cerealelor. Teoria Janssen, formulata inca inainte de 1900, a stat la baza proiectarii tuturor silozurilor din secolul 20. Astfel, intr-o situatie idealizata a „curgerii” uniforme a cerealelor la incarcare si descarcare este solicitata semnificativ doar armatura orizontala din peretii celulelor si doar la intindere centrica, fara efecte de incovoiere, in timp ce rigiditatea si rezistenta implicita data de gabaritul bateriei este suficienta pentru a prelua actiunile orizontale generate de cutremurele de pamant. Aceasta teorie s-a dovedit suficient de satisfacatoare pentru actiuni orizontale, dar uneori deficitara in cazul actiunii repetate produse de incarcarea – descarcarea cerealelor. In plus, incarcarea – descarcarea a dus si la solicitari de incovoiere locala necuantificatible de catre teoria Janssen, precum si la oboseala betonului armat. Deficientele de executie ale silozurilor au potentat si aparitia altor tipuri de solicitari agresive.

Degradari ale silozurilor din beton armat

Silozurile din beton armat supuse unei exploatari curente pot inregistra sute de cicluri de incarcare si descarcare a cerealelor, iar ocazional pot fi supuse cutremurelor, actiunilor climatice sau celor generate de cedarea terenului de fundare sau a fundatiilor. In istoria de peste 100 ani a silozurilor din beton armat din Romania, au fost observate degradari generate de toate aceste tipuri de actiuni sau de combinatiile lor.

Un caz semnificativ este cel al silozului din portul Braila proiectat de Anghel Saligny si construit in 1910. Acest siloz a avut o comportare extrem de favorabila la ciclurile de incarcare – descarcare, precum si la actiunile generate de toate seismele din existenta sa, dar a fost degradat sever de tasarile produse de putrezirea pilotilor din stejar, din cauza variatiei umiditatii din aceste elemente.

Cutremurul de pamant din 4 martie 1977 si cele ulterioare au produs degradari asupra silozurilor de beton armat amplasate in zone cu seismicitate ridicata, dar este de observat ca aceste degradari nu s-au localizat niciodata la nivelul celulelor. Au fost inregistrate degradari la nivelul planseelor galeriei inferioare (fisuri in plansee) si in special la nivelul galeriei superioare, drept consecinta a diferentei semnificative de rigiditate intre aceasta si celule. Fenomenul de amplificare dinamica a dus la degradarea elementelor de beton armat si a zidariilor din galeriile superioare ale silozurilor si chiar la colapsul unor astfel de subansambluri structurale.

Cu toate acestea, efectele seismice asupra silozurilor au fost moderate, nefiind afectati de regula peretii celulelor, si de obicei silozul putandu-si pastra functionalitatea dupa incidenta cutremurelor de pamant.

Spre deosebire de efectele seismice, conditiile de executie defectuoase au fost cele care si-au pus deseori amprenta asupra comportarii in timp a silozurilor, in asociere cu solicitarile repetate de incarcare – descarcare. Toate silozurile realizate dupa 1961 au beneficiat de tehnologia executiei in cofraje glisante, tehnologie ce a permis accelerarea edificarii lor, dar a fost si o sursa importanta si de deficiente. Un control al calitatii in executie deficitar, insotit uneori si de disfunctionalitati imposibil de administrat (intreruperea alimentarii cu energie electrica in timpul functionarii cofrajelor glisante), sau alti factori tehnologici (oprirea glisarii pentru perioade indelungate) au dus, in unele cazuri, la realizarea unui beton armat cu defecte structurale importante (fisuri, crapaturi si chiar caverne), care a avut o comportare deficitara la actiunile repetate de incarcare – descarcare a cerealelor, scurtand durata de viata a silozurilor. Contrar asteptarilor, defectele de executie au fost mai numeroase in perioada de sfarsit a construirii silozurilor (spre 1990) decat in prima perioada de executie a silozurilor din etapa a patra (de dupa 1961). Silozurile edificate in primele trei faze au beneficiat, in general, de conditii de executie satisfacatoare.

Uneori aceste defecte de executie pot fi observate doar la interiorul celulelor, exteriorul fiind tencuit, motiv pentru care evaluarea vizuala acestui tip de structuri trebuie facuta obligatoriu si la interior. In anumite cazuri, defectele de executie, coroborate cu actiunea repetata a ciclurilor de incarcare – descarcare, au dus pana la colapsul total al bateriei de celule.

Este de mentionat ca remedierea locala a defectelor de executie majore nu reprezinta o solutie de lunga durata. Colapsul structural poate interveni si la silozuri reparate prin interventii locale (injectarea crapaturilor, aplicare de mortar sau chiar beton turnat in cofraj in sectiunile slabite). Aceste interventii au rolul de a repara unele zone slabite, dar nu pot reda integritatea structurala ce ar fi fost obtinuta in cazul unei executii de calitate. Colapsul in aceste cazuri poate interveni la o perioada de cativa ani dupa finalizarea lucrarilor de reparatie si este unul brusc, fara preaviz, insotit de expulzarea cerealelor din interior, cu potential ridicat de vatamare sau de amenintare a vietii celor prezenti in perimetrul adiacent.

Concluzii

Silozurile din beton armat realizate in Romania au fost edificate ca un raspuns necesar la cerintele economice din acea perioada. Ele reprezinta un progres al ingineriei civile si materializeaza eforturi indelungate de intelegere a fenomenologiei specifice de catre cei mai pregatiti ingineri ai momentului.

Prin proiectare s-a asigurat o functionare sigura, stabila si care a oferit o performanta sporita la actiunile seismice. In acelasi timp, silozurile din beton armat au reprezentat o solutie eleganta si economica.

Cu toate acestea, varsta fondului construit din acest tip de structuri este ridicata, cel mai nou siloz din beton armat avand peste 30 ani. In toata aceasta perioada, silozurile au fost supuse la solicitari multianuale agresive, ciclice de incarcare – descarcare, in timp ce pentru multe dintre aceste structuri nu au fost efectuate lucrari de mentenanta structurala sau evaluari ale starii de degradare.

In general, silozurile au fost proiectate, indiferent de anul realizarii, pentru acelasi nivel de actiuni, avand aproximativ acelasi nivel de siguranta structurala. Deficientele de executie, in special cele rezultate din nefunctionalitatea tehnologiei de cofrare in sistem glisant, au diferentiat semnificativ durata de viata a acestor structuri.

Se pune, in prezent, problema continuarii utilizarii acestui tip de structuri pentru o perioada nedeterminata, cel mai des in lipsa unei carti tehnice a constructiei si ca urmare a evaluarii realizate de catre un specialist ce dispune de date limitate in cunoasterea in particular a silozului evaluat.

Decizia de utilizare in continuare a silozurilor din beton armat trebuie fundamentata cu mare atentie, pe baza unei cunoasteri fenomenologice si a unei inspectii cuprinzatoare, obligatorie si la interiorul celulelor.

In luarea unei decizii de utilizare in continuare a silozurilor din beton armat trebuie avuta in vedere, in toate cazurile, varsta inaintata a acestui tip de structuri si vulnerabilitatea ridicata a acestora ca urmare a ciclurilor repetate de folosire. Orice astfel de ciclu scurteaza, inerent, viata structurii.

Multumiri

Multe dintre informatiile istorice referitoare la dezvoltarea silozurilor de beton armat din Romania au fost impartasite de catre regretatul prof. univ. dr. ing. Constantin Pavel. Silozurile din beton armat au constituit o preocupare constanta pentru domnul profesor, atat in etapele de proiectare si executie cat si in etapele recente de evaluare si expertizare ale acestora. Domnul profesor a manifestat un interes autentic in diseminarea informatiilor colectate de-a lungul timpului, in acest subiect complex, catre interlocutorii interesati.

Bibliografie

[1] C. Pavel, G. Vlaicu, M. Pavel – Durability of concrete grain silos, Conferinta internationala „Durabilitatea betoanelor si lucrarilor din beton”, Bucuresti, Romania, 25 – 30 septembrie 2005;

[2] C. Pavel – Note de curs „Constructii speciale din beton armat”, UTCB, 2002;

[3] C. Pavel, G. Vlaicu – Proiect de „Instructiuni tehnice pentru calculul silozurilor de cereale”, UTCB 1995;

[4] E. Titaru, C. Pavel, T. Dinescu – Efectele cutremurelor asupra silozurilor de cereale existente in Romania, IPCT – 1991.

(Nota: Articolul a fost publicat pentru prima data pe portalul encipedia.org)

Autor:
dr. ing. Mihai PAVEL – SC ALTFEL CONSTRUCT SRL

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 180 – mai 2021, pag. 46