Consideratii asupra sigurantei lucrarilor de excavatii adanci in zonele urbane privite prin prisma normativelor existente

Constructiile cu caracter temporar supuse actiunii seismice pot fi calculate pentru o actiune seismica redusa, utilizand un coeficient de importanta, g_I, astfel incat sa existe un nivel de asigurare fata de evenimentul seismic similar cu cel pentru o structura definitiva. In cazul lucrarilor de sustinere temporare pentru sprijinirea excavatiilor adanci, normativul tehnic NP 124-2010 lasa la latitudinea proiectantului alegerea duratei de expunere la situatia seismica tranzitorie. Alte reglementari tehnice din domeniu au alte abordari si chiar prevederi contradictorii.

Articolul isi propune o trecere in revista a prevederilor principalelor reglementari aplicabile structurilor temporare si prezinta calcule comparative pentru coeficientul g_I in diferite ipoteze.

In perioada actuala se construiesc in marile orase cladiri pentru acomodarea carora sunt necesare constructii auxiliare tranzitorii importante. Intr-o practica condusa de investitori a caror preocupare legitima este obtinerea unor solutii cat mai performante in ceea ce priveste costurile, in primul rand sunt vizate lucrarile temporare. Date fiind caracterul lor tranzitoriu si faptul ca, de multe ori, lucrarile nu vor face parte din investitia finala, investitorul, in mod justificat, se gandeste foarte atent la economiile posibile. Articolul pune accent pe excavatii adanci (de obicei in zone urbane), cu probleme legate de stabilitatea taluzurilor si a structurilor de sustinere, dar concluziile sunt valabile si pentru alte tipuri de elemente de constructie temporare (esafodaje, schele, scari, reazeme temporare).

Urmand cerinta investitorului, inginerul proiectant are misiunea de a furniza o solutie economica, dar si datoria primordiala de a pastra aceasta solutie in domeniul sigurantei. Care poate fi limita minima la care nivelul de siguranta este acceptabil? De buna seama ca acest nivel minim este furnizat de normativele de proiectare sau de standarde, iar acolo unde acestea nu acopera domeniul, de judecata inginereasca care trebuie condusa in spiritul sigurantei. Normativele tehnice de proiectare, ca orice alta intreprindere umana, furnizeaza de multe ori informatii imprecise, incomplete sau contradictorii care pot da nastere unor interpretari neunitare. De precizat si faptul ca in unele situatii exista diferente intre standardele europene, de exemplu Eurocoduri, si normativele tehnice, acestea din urma avand caracter obligatoriu, in timp ce standardele devin obligatorii doar prin citarea in normative.

O actiune foarte controversata si neunitar aplicata la proiectarea structurilor temporare cu rol de suport pentru construirea structurilor finale este actiunea seismica. In prezentul articol se pune accentul pe excavatiile adanci.

1. Prevederi din reglementarile tehnice

Pentru inceput se amintesc principalele informatii gasite de autori in reglementarile tehnice de proiectare in vigoare la data elaborarii prezentului articol, pentru evaluarea actiunii seismice:

1.1 CR0 – 2012. Cod de proiectare. Bazele constructiilor

Pentru o intelegere unitara se definesc in cod tipurile de situatii de proiectare [1]. Dintre acestea, definitiile relevante pentru acest articol sunt legate de situatia tranzitorie de proiectare, care este relevanta pe o durata de timp mai scurta decat durata de viata proiectata si care are o probabilitate mare de a se produce; versus situatia persistenta de proiectare, care este relevanta pe un interval de timp de acelasi ordin cu durata vietii structurii.

In tabelul 2.1 din codul mai sus amintit se definesc duratele de viata proiectate pentru 5 categorii de durata a vietii, iar pentru structurile temporare se specifica o durata de viata de 10 ani. Se poate observa ca nu este prezentata o definitie a structurilor temporare. S-ar putea comenta ca structurile temporare se pot gasi in urmatoarele doua situatii:

1. a) Structuri temporare ale constructiilor cu functiune clara si durata de viata scurta (chioscuri, corturi, scene etc.);
2. b) Structuri temporare cu rol de a ajuta momentan la construirea unei constructii permanente (schele, esafodaje, cofraje, sprijiniri de excavatii, scari etc.), cu o durata de expunere extrem de scurta, de ordinul zilelor sau cel mult de ordinul catorva ani.

Anexa nr. 1 la CR0-2012 revine cu precizarea ca pentru constructiile temporare durata de 10 ani trebuie inteleasa ca o durata maxima, deci durata de viata pentru structurile temporare poate fi aleasa mai mica de 10 ani.

1.2 SR EN 1990:2004 Bazele proiectarii structurilor

In tabelul 2.1 din acest standard [2] sunt precizate duratele de viata identic cu CR0-2012, dar Anexa Nationala [3] prevede pentru categoria 1 de durata de viata ≤10 ani (structuri temporare).

Anexa Nationala prevaleaza, iar Anexa 1 la CR0-2012 sustine ideea duratei mai mici sau egale cu 10 ani. Pe de alta parte, nu exista o metodologie care sa descrie coerent cum se reduce perioada la o valoare sub 10 ani.

1.3 P100-1/2013 Cod de proiectare seismica – Partea I – Prevederi de proiectare pentru cladiri

Codul P100-1/2013 [4] este un cod utilizabil la proiectarea seismica a cladirilor si constructiilor cu structuri similare acestora amplasate pe teritoriul Romaniei, asa cum se arata inca de la inceputul codului, la capitolul „1.1. Obiect si domeniu de aplicare”.

Codul P100-1/2013 nu specifica relatia de calcul pentru coeficientul de importanta-expunere care intervine in formula de calcul a actiunii seismice. Singura referinta la intervalul mediu de recurenta este cea de la paragraful 2.1, care stabileste pentru cerinta de siguranta vietii (SLU) intervalul mediu de recurenta IMR de 225 ani, care este calculat pentru o probabilitate de depasire de 20% in 50 ani, unde perioada de 50 de ani este durata de viata proiectata conform SR EN 1990:2004 paragraful 2.3/CR0-2012 tabelul 2.1. Mai clar, se considera ca referinta o probabilitate de depasire fixa, pentru durata de viata a constructiei, indiferent de marimea acesteia din urma.

1.4 SR EN 1998-1:2004 Eurocod 8: Proiectarea structurilor pentru rezistenta la cutremur. Partea 1: Reguli generale, actiuni seismice si reguli pentru cladiri

In acest standard [5], in Nota 2 la paragraful 2.1 se precizeaza ca: „valoarea probabilitatii de depasire, P_R in T_L ani a unui anumit nivel al actiunii seismice este corelata cu perioada medie de revenire, T_R, la acest nivel al actiunii seismice, in conformitate cu expresia T_R = -T_L / ln (1- P_R). Astfel, pentru un T_L dat, actiunea seismica poate fi specificata echivalent fie prin perioada ei medie de revenire, T_R, fie prin probabilitatea ei de depasire, P_R in T_L ani.”

De asemenea, se introduce factorul de importanta, g_I, cu care se multiplica actiunea seismica de referinta pentru a obtine aceeasi probabilitate de depasire in T_L ani ca si in cei T_LR ani (pentru care este definita perioada de referinta):

Sau, ca alternativa, se poate utiliza:

Deci: T_L este perioada de expunere (diferita de cea de referinta), T_LR este perioada de expunere de referinta, T_R este intervalul mediu de recurenta sau perioada medie de revenire (diferit de cel de referinta), T_NCR este intervalul mediu de recurenta de referinta, iar k este un coeficient care poate fi luat egal cu 3.

Intervalul mediu de recurenta de referinta, care corespunde probabilitatii de depasire de referinta, PLR in perioada de expunere de referinta, T_LR, difera astfel:

• P100/1-2013: IMR(=T_NCR) = 225 ani pentru T_LR = 50 ani si P_LR = 20%
• SR EN 1998-1: T_NCR = 475 ani pentru T_LR = 50 ani si P_LR= 10%

Anexa Nationala nu a mai fost corelata cu nivelul de hazard definit de P100-1/2013, ea ramanand la nivelul stabilit anterior in P100-1/2006.

1.5 SR EN 1998-2:2006 Eurocod 8: Proiectarea structurilor pentru rezistenta la cutremur. Partea 2: Poduri. Anexa A

La constructiile de poduri, lucrarile temporare in fazele de construire pot fi destul de laborioase, avand ele insele solicitari importante, similare excavatiilor adanci al caror subiect este dezbatut in acest articol.

Conform anexei A, paragraful A1, al SR EN 1998-2:2006 [6], actiunea seismica de referinta (care corespunde unui coeficient g_I = 1) reflecta un eveniment seismic cu o perioada de revenire de 475 ani (probabilitate de depasire intre 10% si 19% pentru o durata de viata intre 50 si 100 ani). In paragraful A2, care se refera la actiunea seismica de calcul pentru fazele de construire este, insa, indicat ca pentru un timp de construire mai mic de 5 ani se recomanda ca probabilitatea de depasire sa nu fie mai mare decat 5%. Acest lucru indica faptul ca, daca se reduce durata de viata proiectata si, deci, durata de expunere la seism, la valori foarte mici, trebuie redusa si probabilitatea de depasire pentru a se pastra un nivel de asigurare corespunzator.

1.6 NP 124-2010 Proiectarea geotehnica a lucrarilor de sustinere

NP 124-2010 [7] prevede ca, pentru a tine cont de durata de expunere mai mica decat durata de viata proiectata a structurilor de sprijin temporare, coeficientul g_I poate fi definit pentru fiecare proiect in parte, cu conditia sa se prevada un nivel de asigurare fata de evenimentul seismic ca si pentru o structura definitiva. Astfel, preia formula pentru calculul g_I din SR EN 1998-1:2004 (ecuatia (1)).

NP124 defineste perioada de expunere ca fiind: „durata de expunere a structurii de sustinere, definita ca durata maxima de timp in care aceasta isi indeplineste functia pentru care a fost proiectata, estimata cu prudenta si luand in calcul orice posibile intarzieri care ar face ca aceasta durata sa creasca”. Mai mult chiar, o mentioneaza separat de durata de viata proiectata pentru a face diferentierea mai clara. Se poate observa ca, pe langa aspectele geotehnice, normativul NP 124-2010 atrage atentia asupra a doua aspecte extrem de importante in evaluarea duratei de expunere a lucrarilor de sustinere a excavatiilor adanci. Primul este legat de vecinatatile construite, si aici este important de avut in vedere posibilitatea ca vecinatatile sa fie constructii de clasa de importanta si expunere II sau I, in raport cu prevederile codului P100-1/2013, cu necesitatea considerarii unei protectii ridicate. Cel de-al doilea aspect este considerarea posibilelor intarzieri in estimarea duratei de construire si implicit a duratei de expunere.

1.7 SR EN 1991-1-6:2005 Eurocod 1: Actiuni asupra structurilor, Partea 1-6: Actiuni generale – Actiuni pe durata executiei

SR EN 1991-1-6:2005 [8] prevede la pargraful 4.13 faptul ca actiunea seismica se determina in conformitate cu EN 1998, luand in considerare perioada de referinta a situatiei tranzitorii considerate. Este prima data cand este clar scris ca este vorba de o situatie tranzitorie (de proiectare), deci se poate concluziona ca trebuie facuta diferenta intre durata de viata proiectata si durata pe care se manifesta situatia tranzitorie (numita perioada de expunere de NP 124-2010). De asemenea, se precizeaza ca valorile coeficientului de importanta g_I pot fi  definite in Anexa Nationala sau pentru fiecare proiect in parte. Anexa Nationala SR EN 1991-1-6:2005/NB:2008 [9] stabileste ca valorile g_I se stabilesc pentru fiecare proiect in parte. SR EN 1991-1-6:2005 mai cuprinde in tabelul 3.1 perioade de revenire minime recomandate pentru determinarea incarcarilor din actiuni climatice, tot actiuni temporare. In Tabelul 1 sunt prezentate aceste perioade de revenire, precum si probabilitatile de depasire calculate. Pentru incarcarile climatice, conform CR0-2012, probabilitatea de depasire de referinta este de 2% pentru o durata de 1 an si corespunde unui interval mediu de recurenta IMR = 50 ani. Pentru calcule au fost utilizate urmatoarele formule pentru perioada de revenire (T_L) si pentru probabilitatea de depasire in N ani (P_{in N ani}), in care intervine T_LR – perioada de revenire de referinta si n – durata de expunere:

Din valorile cuprinse in Tabelul 1 se poate observa ca intentia standardului SR EN 1991-1-6:2005 a fost de a limita considerarea perioadelor medii de revenire mult prea mici, prin impunerea unor perioade (recomandate) de revenire care duc la probabilitati de depasire mult mai mici pentru perioadele de expunere foarte scurte si mai mari (mai relaxate) pentru perioadele de expunere mai mari. Se observa, de asemenea, in cazul acestui tip de actiuni temporare, ca pentru durate de expunere de peste 1 an se revine la probabilitatea de referinta de depasire de 2%. Ca filosofie de proiectare, acest principiu ar putea fi luat in considerare, prin similitudine, si pentru solicitarile seismice, respectiv stabilirea unor probabilitati de depasire mai mari pentru perioade mici de expunere.

2. Calculul COEFICIENTULUI DE IMPORTANTA γ_I PENTRU STRUCTURI TEMPORARE

2.1 Generalitati

Cea mai importanta ipoteza de lucru este cea legata de determinarea duratei de viata si a duratei de expunere a excavatiei [10], [11]. Asa cum a fost prezentat in capitolul 2, SR EN 1990:2004 considera o durata de viata proiectata pentru constructiile temporare de 10 ani, iar SR EN 1990:2004/NA:2006 – Anexa Nationala – revine asupra acestui punct considerand o durata de viata proiectata de pana la 10 ani. Urmand prevederile SR EN 1990:2004/NA:2006 rezulta ca se poate alege o durata de viata proiectata mai mica decat 10 ani. Desi nespecificat in mod explicit, CR0-2012 Anexa 1 considera durata de viata proiectata pentru constructii temporare de maximum 10 ani. Trebuie facuta distinctia fata de durata de expunere (la evenimentul seismic), cu luarea in considerare a aspectelor mentionate in NP 124-2010. Coeficientul de importanta g_I pentru actiunea seismica este definit prin ecuatia (1).

De asemenea, utilizatorii acestor formule pot face apel si la calculatorul automat de la link-ul: https://eurocodeapplied.com/design/en1998/earthquake-action-during-construction.

2.2 Calcule comparative

In Tabelul 2 este prezentat un calcul comparativ al coeficientului de importanta, g_I, realizat astfel:

• Conform P100/1-2013, adica pentru probabilitate de depasire de 20% in 50 de ani sau T_LR = 225 ani;
• Conform SR EN 1998-2 care prevede o probabilitate de depasire de 5% pentru fazele de construire ale podurilor si T_LR = 475 ani;
• pentru o probabilitate de depasire de 10% si T_LR = 225 ani. S-a propus marirea probabilitatii de nedepasire pentru situatia de constructie la 10% pentru a fi consistenta cu raportul probabilitatilor acceptate de P100-1/2013 si SR EN 1998;
• pentru o perioada de expunere la situatia tranzitorie care variaza intre 3 zile (analogie cu actiunile climatice) si 10 ani, care sunt perioade reprezentative pentru constructii temporare.

Rezultatele obtinute au fost reprezentate si grafic (fig. 1) pentru intervalul de interes al constructiilor temporare, respectiv al cazului tratat al excavatiilor (durata de viata proiectata sub 10 ani).

Se poate observa ca trecerea de la o probabilitate de depasire de 20% corespunzatoare unui interval mediu de recurenta de 225 de ani la o probabilitate de 5% (curba albastra) genereaza cea mai severa cerinta. Considerand o probabilitate de 10% la intervalul mediu de recurenta de 225 ani,  nivelul de cerinta este similar celui din SR EN1998-2:2008 (curba galbena, respectiv gri), raportat la intervalul mediu de recurenta definit in fiecare cod in parte.

2.3 Excavatii in vecinatatea unor constructii de importanta deosebita

In special in mediul urban, amplasarea excavatiilor se gaseste adesea in vecinatatea unor constructii importante, de clasa de importanta si de expunere I sau II, asa cum este ea definita in P100-1/2013 (clasele IV si III conform defintiilor din SR EN 1998-1:2008). Nivelul de siguranta pe care trebuie sa il ofere lucrarea de excavatie temporara trebuie sa fie in concordanta cu nivelul de siguranta sporit, asociat constructiilor din clasele de importanta  I si II. Acest nivel de siguranta poate fi pastrat prin adoptarea unei probabilitati de depasire mai mici corespunzatoare valorii coeficientului de importanta aferent clasei I sau II. Prin urmare, folosind ecuatia (2) (preluata din SR EN 1998-1), se poate gasi valoarea probabilitatii de depasire echivalenta pentru factori de importanta-expunere diferiti de 1 (respectiv 1.2 sau 1.4). Astfel, pentru clasele de importanta si de expunere I si II se vor obtine valori ale probabilitatii de depasire de 7.5% pentru clasa I de importanta si de expunere si de 12% pentru clasa II de importanta si de expunere. Aceste probabilitati se pot aplica pentru calculul coeficientilor de importanta ai excavatiei alaturate constructiilor existente de clasa I sau II. De exemplu, valorile coeficientilor g_I in cazul unei excavatii in a carei zona de influenta se gaseste o constructie de clasa I de importanta si expunere conform P100-1/2013 sunt indicate in Tabelul 3, in care au fost considerate durate de expunere pentru lucrarea temporara de la 3 zile pana la 10 ani, iar perioada de revenire a fost considerata fie corespunzator probabilitatii de depasire de 7.5%, fie corespunzator valorilor recomandate in SR EN 1991-1-6 pentru actiuni climatice.

Figura 2 prezinta evolutia coeficientului g_I in acest caz sub forma grafica (cu valorile din Tabelul 3).

Desi fara o semnificatie fizica si aplicabila direct, s-au folosit limitele minime ale intervalurilor medii de recurenta impuse de SR EN 1996-1-6 pentru incarcarile climatice, ca limita superioara, in vederea evaluarii unei astfel de limitari. Se poate observa ca rezultatele obtinute se gasesc in oarecare concordanta cu strategia propusa de a se micsora probabilitatea de depasire pentru excavatiile temporare aflate in vecinatatea unei constructii de clasa I de importanta.

CONCLUZII

Lucrarile de sustinere a excavatiilor adanci sunt lucrari temporare pentru care se poate considera o perioada de expunere la situatia tranzitorie seismica mai mica decat durata de viata proiectata de 10 ani, cu conditia pastrarii aceleiasi probabilitati de depasire pentru perioada de expunere ca si cea corespunzatoare perioadei de referinta. Alegerea duratei de expunere este lasata la latitudinea proiectantului, fara prevederi clare de evaluare, cu reglementari tehnice uneori contradictorii. Nu de putine ori, excavatiile adanci se dovedesc a avea durate mai mari de expunere decat cele scontate in planurile initiale de programare a lucrarilor de construire. Pe baza analizei datelor din documentele tehnice in vigoare cu referire la lucrari temporare, consideram ca fezabila impunerea unei limite minime a valorii actiunii seismice prin prevederea unei perioade minime de expunere la situatia seismica sau prin stabilirea unei probabilitati mai mici de depasire pentru perioade de expunere mici. In conditiile amplasarii excavatiei temporare in vecinatatea unor constructii de clasa de importanta si expunere I sau II, probabilitatea de depasire trebuie micsorata fata de cea de referinta pentru a reflecta cerinta de siguranta sporita legata de rezistenta, stabilitatea si deformabilitatea constructiilor vecine. In articol se calculeaza o probabilitate de depasire de 7.5% pentru clasa I de importanta si de expunere si respectiv 12% pentru clasa de importanta si de expunere II.

Este evident ca se simte nevoia unei rafinari si clarificari a situatiei normative legate de constructiile temporare. Se face observatia ca, fata de standardele europene, normativele romanesti prevad din start valori mai scazute si conditii mai permisive. Desi atractiva din punct de vedere al costurilor investitiei, alegerea unei durate mici de expunere pentru constructia temporara genereaza exclusiv responsabilitatea proiectantului si, alaturi de acesta, a verificatorului de proiect. Echipa nu se mai poate baza pe referintele normative care, in aceasta privinta, se pronunta unanim spre o evaluare prudenta a duratei de expunere. Nu in ultimul rand, se atrage atentia ca neclaritatea generata de documentele tehnice creeaza oportunitati pentru practici neloiale. O solutie de rezolvare a acestor neclaritati poate fi la indemana asociatiilor profesionale. Acestea pot propune la anumite intervale de timp interpretari ale documentelor tehnice, in spiritul codului.

BIBLIOGRAFIE

[1] *** CR0-2012 Cod de proiectare. Bazele constructiilor;

[2] *** SR EN 1990:2004 Bazele proiectarii structurilor;

[3] *** SR EN 1990:2004 / NA:2006 Bazele proiectarii structurilor;

[4] *** P100-1/2013 Cod de proiectare seismica – Partea I – Prevederi de proiectare pentru cladiri;

[5] *** SR EN 1998-1:2004 Eurocod 8: Proiectarea structurilor pentru rezistenta la cutremur. Partea 1: Reguli generale, actiuni seismice si reguli pentru cladiri;

[6] *** SR EN 1998-2:2008 Eurocod 8: Proiectarea structurilor pentru rezistenta la cutremur. Partea 2: Poduri;

[7] ***NP 124-2010 Normativ privind proiectarea geotehnica a lucrarilor de sustinere;

[8] *** SR EN 1991-1-6:2005 Eurocod 1: Actiuni asupra structurilor Partea 1-6: Actiuni generale – Actiuni pe durata executiei;

[9] *** SR EN 1991-1-6:2005/NB:2008 – Eurocod 1: Actiuni asupra structurilor Partea 1-6: Actiuni generale – Actiuni pe durata executiei;

[10] Popp, T.; Badea, I.; Marcu, D.; Coman, M.: Calculul fortei seismice pentru constructii provizorii;

[11] Solomos, G.; Pinto Vieira A.; Dimova, S.: A Review of the Seismic Hazard Zonation in National Building Codes in the Context of Eurocode 8, 2008. https://ec.europa.eu/jrc/en/publication/eur-scientific-andtechnical-research-reports/review-seismic-hazard-zonation-national-building-codes-context-eurocode-8

Autori:
prof. dr. ing. Loretta Batali,
prof. dr. ing. Horatiu Popa – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti

ing. Dan Iancu,
ing. Dragos Knappe – DI&A Design Consulting SRL

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 182 – iulie 2021, pag. 56