CUTREMURELE SI REZILIENTA MEDIULUI CONSTRUIT: Cercetari recente la INCD URBAN-INCERC bazate pe implementarea de noi sisteme si tehnologii digitale de achizitie si prelucrare avansata a datelor instrumentale

Determinarea rezilientei mediului construit se inscrie ca obiectiv major in orice plan de reducere a efectelor cutremurelor, incluzand operationalizarea interventiilor dupa un cutremur sever in anumite zone, sau cunoasterea vulnerabilitatii pentru o dezvoltare durabila la nivelul unei societati. Importanta masurilor de prevenire a avariilor seismice si identificarea rapida a acestora dupa un cutremur sunt cruciale pentru salvarea de vieti si reducerea pierderilor materiale. Acest fapt are o relevanta deosebita pentru Romania, tara al carei teritoriu este afectat de cutremure severe din sursa Vrancea.

 Instrumentarea temporara (sau monitorizarea permanenta) a unei cladiri, in conditiile si cerintele specificate de codurile de referinta (P130/1999 si P100-1/2013, P100-3/2019), reprezinta o necesitate pusa in evidenta de studiile elaborate in cadrul multor proiecte desfasurate la INCD URBAN-INCERC. Completarea bazei de date inregistrate si prelucrate din locatiile in care au fost instalati senzorii seismici (in camp liber sau in cladiri) ofera o imagine mai clara a nivelului acceleratiilor locale, specifice diferitelor conditii de teren si in comparatie cu acceleratiile din harta de zonare seismica.

 Pe de alta parte, prin utilizarea senzorilor seismici si amplasarea acestora in cadrul cladirii se face un pas important inainte in intelegerea raspunsului structural in toate cele trei etape: inainte, in timpul si dupa un eveniment seismic extrem. Din punct de vedere practic, imediat dupa un viitor cutremur puternic, proprietarii unei cladiri, fie aceasta o institutie publica sau o un imobil de locuinte, vor dori sa determine cat mai curand posibil starea de sanatate a structurii, informatie mai usor de obtinut daca a fost implementat in prealabil un sistem de instrumentare/monitorizare. Noile informatii despre ceea ce se intampla in interiorul unei cladiri, prin incorporarea instrumentatiei seismice, atat la nivelul terenului, cat si la etajele superioare, vor putea fi folosite pentru a lua decizii aproape in timp real.

  Repere ale instrumentarii/monitorizarii seismice in Romania

Primele cladiri au fost echipate cu aparate de inregistrare a rasunsului seismc de catre Institutul Cercetari in Constructii-INCERC inca din anii 1960, activitate extinsa cu cea de instrumentare temporara pentru masuratorile de perioade de vibratii, existand un numar important de cladiri din beton armat cu mai multe etaje la care s-au efectuat masuratori si dupa cutremurul din 1977. Intre acestea, la momentul cutremurului M_w=7.4 din 4 martie 1977 erau echipate cu accelerografe amplasate la subsol si la ultimul etaj doua cladiri rezidentiale cu mai multe etaje. Alte trei cladiri erau partial echipate cu un singur accelerograf. Proiectul de Cooperare Tehnica „Reducerea Riscului Seismic pentru Cladiri si alte Structuri”, finantat de Agentia Japoneza de Cooperare Internationala, JICA (2002-2009), cu participarea unor cercetatori de la UTCB si INCERC in cadrul Centrului National pentru Reducerea Riscului Seismic, a implicat si instrumentarea a patru cladiri inalte din Bucuresti.

In prezent, sunt echipate permanent in ceea ce priveste monitorizarea seismica 22 de imobile, in Bucuresti si in alte orase ale Romaniei, dintre care de catre URBAN-INCERC 8 imobile, de catre INFP 10 imobile si de catre UTCB 4 imobile. In ultimii ani, la INCD URBAN-INCERC a fost demarata, de asemenea, o ampla initiativa de instrumentare temporara si identificare a caracteristicilor dinamice pentru sediile institutelor nationale de cercetare si dezvoltare din Romania si pentru alte cladiri publice.

Reteaua Nationala Seismica pentru Constructii a INCD URBAN-INCERC 

 Reteaua Nationala Seismica pentru Constructii a INCD URBAN-INCERC furnizeaza fara intrerupere, de cinci decenii si jumatate, pentru un numar important de amplasamente, inregistrari ale cutremurelor de pamant care afecteaza periodic teritoriul Romaniei. De la inregistrarea unicat a seismului de la 4 martie 1977, al carei studiu a condus la o schimbare radicala a normelor de proiectare seismica nationale, si pana la miile de accelerograme inregistrate pana in prezent pe toata durata existentei sale, reteaua seismica a constituit o infrastructura-cheie, cu un rol esential pentru cunoasterea particularitatilor de seismicitate ale tarii noastre si ale zonelor invecinate. Datele furnizate au reprezentat baza tuturor cercetarilor dedicate reducerii riscului seismic in Romania, precum si a codurilor romanesti de proiectare seismica.

Reteaua a cunoscut o evolutie considerabila de-a lungul anilor, atat la nivel tehnologic, al echipamentelor de achizitie si comunicatii utilizate, cat si din punctul de vedere al acoperirii teritoriale. Aceasta evolutie, desfasurata in paralel cu elaborarea de numeroase studii dedicate domeniului ingineriei seismice, realizate in institut, a fost sustinuta printr-un efort considerabil, stiintific, tehnic si logistic, al echipei de cercetatori din cadrul retelei. Cu o istorie desfasurata pe parcursul mai multor generatii, reteaua seismica este astazi o infrastructura functionala, dinamica si activa, dotata cu aparatura digitala si software de ultima generatie, avand in prezent 66 de echipamente.

Majoritatea statiilor utilizeaza echipamente de inregistrare si comunicatii de ultima generatie, fiind conectate permanent online la Centrul de date din Bucuresti prin intermediul unor linii dedicate puse la dispozitie de Serviciul de Telecomunicatii Speciale, precum si prin linii ale furnizorilor de comunicatii mobile. Acestor echipamente li se adauga o aparatura performanta de laborator de cercetare si testare de laborator si in situ a componentelor de structuri si/sau a constructiilor, in sucursalele INCD URBAN-INCERC din teritoriu (Bucuresti, Iasi, Cluj, Timisoara), toate in zone seismice, care servesc, dupa caz, acelorasi obiective si permit corelarea datelor.

Cu aceste caracteristici, in prezent Reteaua Nationala de Monitorizare si Protectie Seismica a Patrimoniului Construit – RNMPSPC a INCD URBAN-INCERC a fost evaluata si incadrata ca instalatie / obiectiv special de interes national IOSIN. Reteaua are ca elemente constitutive de baza centrul de date, fluxurile de date transmise, achizitia de date, arhivarea datelor, activitati de mentenanta, raportare, comunicare si diseminare.

O imagine din centrul de date al RNMPSPC – INCD URBAN-INCERC care da si posbilitatea urmaririi in timp real si continuu a inregistrarilor miscarilor seismice

Prin interpretarea datelor instrumentale se pot obtine informatii cu privire la modul de comportare structurala:

• inainte de producerea altor evenimente cu efecte dinamice semnificative, si
• post-eveniment, cu posibilitatea determinarii noilor caracteristici de rezistenta.

Acelasi principiu de achizitie de „date de zero” este necesar in procesul de evaluare rapida a vulnerabilitatii cladirilor, precum si in cazul masurilor de consolidare a unor cladiri, cu o instrumentare pre-consolidare si post-consolidare.

Analiza unor inregistrari recente obtinute prin monitorizare/instrumentare seismica 

Optimizarea permisa de digitalizare poate asista autoritatile si proprietarii in monitorizarea comportarii de ansamblu a cladirilor. Rezultatele obtinute ca urmare a activitatilor de instrumentare sunt transferabile si de importanta tehnica si juridica deosebita. Dupa un cutremur, generarea unui raport cu parametrii dinamici ai cladirilor monitorizate reprezinta o provocare de natura strategica si logistica, de achizitie, stocare si prelucrare continua a datelor etc.

Distributia numarului de cladiri instrumentate in raport cu numarul de etaje si localitati (Bucuresti, Ploiesti, Tulcea, Valcea, Craiova, Cluj, Timisoara, Iasi, Brasov) in perioada 2019-2022

In cadrul Retelei Nationale de Monitorizare si Protectie Seismica a Patrimoniului Construit sunt generate harti cu acceleratiile seismice inregistrate de echipamentele seismice instalate in cladiri, sau in conditii de camp liber (free-field).

In cadrul Retelei Nationale de Monitorizare si Protectie Seismica a Patrimoniului Construit sunt instrumentate seismic cladiri cu sisteme structurale diferite.

Cladiri instrumentate seismic de INCD URBAN-INCERC

  Concluzii 

Cercetarile efectuate in INCD URBAN-INCERC converg catre dezvoltarea unui sistem de monitorizare de mari dimensiuni capabil pe viitor sa permita identificarea de la distanta a raspunsului seismic intr-un timp foarte scurt dupa un eveniment seismic. Digitalizarea sanatatii structurale si monitorizarea seismica a cladirilor sunt abordari active de cercetare din care se vor obtine caracteristicile dinamice in identificarea structurala si ar putea fi posibila o detectare a daunelor folosind un software specializat. Toate investitiile financiare in acest domeniu vor duce la o retea densa care va furniza informatii utile legate de comportamentul sistemelor structurale si vor face posibila adoptarea de masuri de crestere a rezilientei urbane.

Actiunile intreprinse se inscriu in demersul general de a furniza date seismice la un nivel calitativ ridicat, aliniat la standardele internationale, precum si in facilitarea schimburilor stiintifice internationale. S-a urmarit, in acelasi timp, dezvoltarea, mentinerea si imbunatatirea functionalitatii infrastructurii de achizitie si prelucrare a datelor seismice, precum si diseminarea larga a rezultatelor cercetarii. Realizarile mentionate reprezinta o premisa esentiala in realizarea obiectivului central al proiectului aflat in derulare, si anume dezvoltarea unui sistem integrat pentru asigurarea securitatii mediului construit, cu potential de inovare deschisa (asocierea in retelele seismice pentru constructii, nationale si internationale; colaborarea cu alte centre de cercetare; contributii in managementul dezastrelor etc.).

Reteaua Nationala de Monitorizare si Protectie Seismica a Patrimoniului Construit este importanta pentru:

• rolul esential si competentele extinse in contextul riscului seismic ridicat din Romania, avand specific de unicat si de instalatie-obiectiv special de interes national;
• monitorizarea constructiilor in privinta parametrilor de protectie seismica si interactiunii teren-structura, si nu doar a miscarii terenului.

Ca activitati desfasurate inainte de cutremur, sunt importante:

• operarea, mentenanta si indesirea statiilor accelerografice de monitorizare a constructiilor din zonele puternic seismice pentru identificarea fenomenelor de amplificare, a efectelor asupra constructiilor in terenuri dificile;
• efectuarea de cercetari de interes national, elaborarea de concepte si solutii cu caracter inovator de protectie seismica, incercari de laborator pe materiale, elemente de constructii si cladiri in situ, testare si certificare tehnici ingineresti de consolidare a cladirilor, infrastructurilor critice si echipamentelor vitale;
• studii de vulnerabilitate si rezilienta seismica, strategii nationale de reducere a riscului de dezastru, materiale documentare si conceperea de metode avansate pentru noi activitati de pregatire a populatiei pentru protectia si comportarea la cutremur.

Ca activitati desfasurate permanent si in timpul cutremurelor puternice sunt relevante:

• monitorizarea starii structurilor;
• inregistrarea in timp real cutremurelor puternice pe cladiri si teren, prin reteaua de accelerografe conectata in timp real la Serviciul de Telecomunicatii Speciale.

Ca activitati desfasurate dupa cutremure puternice si distructive sunt necesare:

• culegerea, prelucrarea si interpretarea datelor privind parametrii ingineresti ai miscarii terenului si constructiilor;
• investigarea post-seismica cu specialisti si aparatura a starii patrimoniului construit si stabilirea interventiilor pentru punerea in siguranta a acestuia;
• schimbarea conceptelor de proiectare si protectie seismica, introducerea in codurile de proiectare a perfectionarilor necesare;
• promovarea de noi metode de reducere a riscului seismic.

Reteaua Nationala de Monitorizare si Protectie Seismica a Patrimoniului Construit – RNMPSPC a INCD URBAN-INCERC este racordata la infrastructurile CD&I nationale si internationale: International Seismological Centre (ISC), International Station Registry, European Plate Observing System (EPOS), ERRIS – Registrul Infrastructurilor Romanesti de Cercetare etc.

Specialistii retelei fac parte si din Centrul European pentru Reabilitarea Cladirilor (European Center for Buildings Rehabilitation – ECBR) care functioneaza din 2003 in INCERC / INCD URBAN-INCERC, in cadrul Acordului interguvernamental EUR-OPA Major Hazards, semnat in 1987 la nivelul Consiliului Europei ca Acord Partial Deschis. Centrul European pentru Reabilitarea Cladirilor – ECBR sprijina punerea in practica a obiectivelor Acordului EUR-OPA Hazarduri Majore prin activitati permanente cu caracter stiintific si tehnic si de diseminare, precum si prin programe specifice, nationale, regionale si internationale, promovate si finantate / cofinantate de Acord precum si de ministerele de resort (MDRAP/MLPDA, MEC, MAI-DSU /IGSU etc.) privind reabilitarea cladirilor, prin sprijinirea legislatiei in domeniu, a solutiilor tehnice si politicilor de reducere a riscului seismic, corelate cu aspectele care tin de corelatia dintre partea structurala a reabilitarii, echipamentele din constructii, confort si reabilitarea termica.

Ca actiuni viitoare, necesare pentru o abordare coordonata a activitatilor Retelei Nationale de Monitorizare si Protectie Seismica a Patrimoniului Construit – RNMPSPC a INCD URBAN-INCERC, mentionam:

1. Pentru cladirile programate pentru reabilitare seismica, identificarea dinamica trebuie efectuata inainte si dupa lucrarile de consolidare/modernizare. Aceasta ar trebui sa devina o practica obisnuita si ar trebui inclusa in documentatia de proiectare a reabilitarii.
2. Ar trebui instrumentata si monitorizata cel putin o cladire reprezentativa (de preferinta mai multe) pentru fiecare proiect standardizat, semnificativ, de structura cu repetabilitate mare, deoarece aceasta ar oferi informatii esentiale despre un numar foarte mare de cladiri similare.
3. Deoarece nu sunt disponibile reglementari tehnice specifice detaliate pentru instrumentarea seismica, chiar daca in Codul de proiectare seismica din Romania, P100-1/2013, sunt redate cateva reguli succinte, dezvoltarea unor astfel de prescriptii ar fi o conditie prealabila esentiala pentru aplicarea corecta a tuturor programelor de instrumentare.
4. Cladirile si infrastructurile critice ar trebui sa faca obiectul unui program national de instrumentare seismica si monitorizare a starii lor structurale de sanatate. Datele inregistrate trebuie procesate (aproape) in timp real si raportate autoritatilor responsabile.
5. Cladirile care au fost instrumentate inainte si dupa cutremurul din 4 martie 1977, si pentru care s-au efectuat determinari de perioada, alaturi de alte studii, ar trebui sa faca obiectul unui nou program de instrumentare, pentru a investiga in continuare evolutia caracteristicilor dinamice si starea de sanatate structurala a acestor cladiri.
6. Legislatia ar trebui modificata pentru a reglementa relatia dintre proprietarul cladirii si institutia care efectueaza instrumentarea, atat in cazurile in care instrumentarea este efectuata in scop de cercetare, cat si in beneficiul proprietarului.
7. In special la cladirile pentru care instrumentarea este obligatorie conform codului seismic P100-1/2013 ar trebui instalata o instrumentare extinsa.
8. Ar trebui create la nivel national, in scopuri de cercetare si evaluare seismica, baze de date cu parametrii inregistrati pe cladirile instrumentate, impreuna cu metadatele asociate care descriu caracteristicile cladirii si ale amplasamentului.
9. Bazele de date referitoare la cladiri noi ar trebui utilizate in studiile care vizeaza validarea sau actualizarea formulelor empirice utilizate in codul seismic pentru determinarea perioadelor proprii pentru diverse tipologii de cladiri.
10. Utilizarea tehnologiilor avansate, precum cele din domeniile inteligentei artificiale si extragerii datelor, in prelucrarea si interpretarea datelor inregistrate pe cladirile instrumentate ar trebui promovata ca directie distincta de cercetare a strategiilor nationale de cercetare si dezvoltare.

Autori: Claudiu-Sorin DRAGOMIR, Iolanda-Gabriela CRAIFALEANU, Emil-Sever GEORGESCU, Daniela DOBRE – Institutul National de Cercetare-Dezvoltare in Constructii, Urbanism si Dezvoltare Teritoriala Durabila URBAN-INCERC

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 203 – iunie 2023, pag. 58-61