GORDIAS: Provocari ingineresti la proiectarea structurii de protectie a ruinelor de la Castrul Roman Potaissa al legiunii a V-a Macedonica, din Turda

Protejarea ruinelor Thermae (baile) ale castrului roman Potaissa al legiunii a V-a Macedonica, situat in Turda, Romania, s-a realizat printr-o structura care acopera si apara ruinele de degradarea din cauza intemperiilor, si un sistem de pasarele suspendate care pun in valoare materialul arheologic descoperit, permitandu-le turistilor sa inspecteze ruinele de aproape, si ferind, in acelasi timp, ruinele de eventualele deteriorari provocate de vizitatori. Structura are 40,35 metri latime si 70,35 metri lungime. Sistemul suspendat este compus din doua pasarele longitudinale si doua pasarele transversale, avand o lungime totala de aproximativ 230 de metri. Pasarelele longitudinale suspendate sunt conectate la un capat de o platforma, pe care s-a amplasat o structura secundara destinata protectiei si conservarii patrimoniului cultural mobil. Vom detalia, in cele ce urmeaza, provocarile ingineresti cu care s-a confruntat echipa de proiect in procesul de proiectare, precum si solutiile tehnice implementate la proiectarea structurii.

PREZENTARE GENERALA

Proiectul a avut ca scop protejarea si conservarea ruinelor descoperite cu ocazia sapaturilor arheologice, respectiv punerea in valoare si introducerea in circuitul turistic a castrului legiunii a V-a Macedonica, Potaissa ‒ unul dintre cele 5 castre legionare ale Imperiului Roman prezente pe teritoriul Romaniei, dintr-un total de aproximativ 70. Castrul dateaza din perioada razboaielor marcomanice, in jurul anului 170 d.Hr., cand imparatul Marcus Aurelius transfera Legiunea V Macedonica din Dobrogea la Potaissa, pentru pastrarea granitelor Daciei si ale Imperiului Roman. Legiunea isi construieste un castru pe platoul Dealului Cetate, intr-o excelenta pozitie strategica ‒ practic, cel mai mare castru de legiune din Dacia cu functionare indelungata (cca 170-270 d. Hr.). Aici isi desfasurau activitatea cotidiana peste 5.000 de soldati. Castrul constituie cel mai important monument istorico-arheologic al Potaissei. Fortificatia dreptunghiulara (573X408 m) ocupa o suprafata de 23,37 ha. Zidul de incinta era inalt de 5 m, iar in fata acestuia se gasea un sant de aparare lat de 12 m.

Articolul de fata prezinta structura pozitionata deasupra ruinelor Thermae (baile castrului), cu rol de protectie, conservare si punere in valoare a materialului arheologic descoperit. In fig. 1 se pot vedea ruinele Thermae descoperite, inainte de inceperea proiectului. Fig. 2 prezinta simularea grafica a structurii propuse, realizata de biroul de arhitectura Ateliercetrei, iar fig. 3 prezinta schita ruinelor Thermae si pozitionarea structurii.

Fig. 1: Ruinele Thermae inainte de inceperea proiectului

Fig. 2: Vizualizare structura propusa (sursa: birou arhitectura Ateliercetrei)

Fig. 3: Schita ruinelor Thermae descoperite (stanga) si pozitionarea structurii peste ruine (dreapta) (sursa: birou arhitectura Ateliercetrei)

Structura este realizata din profile metalice, fiind asemanatoare unei pergole cu deschideri mari, sprijinind in doar 20 de puncte si protejand o suprafata de cca. 2.850 mp, adica aproape intreg ansamblul termelor. Sistemul de pasarele, care este agatat de structura acoperisului, permite accesul pentru conservarea si vizitarea materialului arheologic. Prin sistemul de pasarele se reuseste crearea unui traseu de acces si conservare ‒ atat transversal, cat si longitudinal ‒ pe materialul arheologic descoperit, in lungime de cca. 230 ml.

Echipele care au contribuit la realizarea proiectului si a constructiei:

• Investitor: U.A.T. Municipiul Turda
• Proiectant general si arhitectura: Ateliercetrei SRL
• Proiectant de specialitate structura: Gordias SRL
• Proiectant instalatii: CSP Proiect Line SRL
• Executant general: Awe Infra SRL
• Fabricant structura metalica si constructor: Hoia Metalstruct SRL
• Subantrepriza lucrari de monumente istorice: Euras SRL
• Sef proiect complex: Arh Service Guttmann&Comp SRL

CONCEPT STRUCTURAL

Ansamblul spatial al intregii structuri este prezentat in fig. 4. Structura principala este formata din zece cadre transversale din profile metalice cu sectiuni compuse, cu deschidere de 30 m si console de 5 m spre exteriorul cadrelor. S-au prevazut 20 de stalpi cu inaltime variabila, urmand relieful sitului arheologic. Sectiunea stalpilor a fost de tip „Cruce de Malta” 500*700 mm, iar stalpii s-au realizat din table sudate cu grosimi variabile pe inaltime. La partea lor superioara s-a prevazut un caroiaj din grinzi metalice cu sectiune I, dispuse cu distanta interax de 2,50 m. Imbinarile dintre stalpi si grinzile principale s-au considerat incastrate, fiind realizate cu suruburi de inalta rezistenta, gr. 10.9. ZN. Grinzile principale si grinzile perimetrale au fost realizate din table sudate, iar grinzile secundare au fost de tip IPE240. Grinzile principale pe directia transversala au inaltime variabila de la 650 mm la 950 mm, talpa superioara a grinzii urmand panta acoperisului. Grinzile principale pe directia longitudinala au inaltime constanta de 650 mm, iar cele perimetrale, de 1.150 mm, cu functie de atic. Pentru realizarea invelitorii, s-a folosit tabla cutata montata pe grinzile principale metalice, acoperita cu un strat de OSB si hidroizolat cu membrana lestata cu pietris. Ansamblul spatial al structurii principale este prezentat in fig. 5, iar in fig. 6 se poate vedea cadrul transversal al structurii principale.

Fig. 4: Ansamblu spatial al intregii structurii sustinut de fundatii pe piloti forati

Fig. 5: Ansamblu spatial al structurii principale

Dimensiuni caracteristice – structura principala:

• Deschiderea: 30,0 m (inter-ax)
• Traveea: 9*7,50 m (inter-ax)
• Lungimea totala: 70,35 m
• Latime totala: 40,35 m
• Inaltimea: 9,22 m

Fig. 6: Cadru transversal

Pasarelele sunt suspendate de grinzile transversale si longitudinale prin intermediul unor tevi metalice rotunde CHS 114,3*6. Pasarelele transversale sunt suspendate de acoperis in cate patru puncte si sunt descarcate pe taluz la fiecare capat prin intermediul unor fundatii izolate. Pe langa prinderile de suspendare, pasarele longitudinale sunt conectate si de pasarelele transversale si pe axa 4.9 de platforma marginala, peste care este pozitionata o structura secundara destinata protectiei si conservarii patrimoniului cultural mobil. Structura pasarelelor longitudinale este formata din doua grinzi cu zabrele care au si rol de parapet, realizate din profile H sudate si diagonale HEA160. Cele doua grinzi cu zabrele sunt legate cu rigle orizontale si diagonale in dreptul fiecarui montant, sub nivelul pardoselii. In cazul pasarelelor transversale, grinzile-parapet au sectiune chesonata sudata cu inima dublata, talpa fiind din placi de 20×250 mm si inimile de 8×1.160, rezultand un profil cu inaltimea totala de 1,2 m. Inimile grinzii au fost rigidizate in fiecare metru cu cate doua tevi CHS 114,3*4, care strapung placile si sunt sudate perimetral. Fig. 7 prezinta ansamblul spatial al sistemului de pasarele si platformei marginale, iar fig. 8 ilustreaza detalii ale sistemului de pasarele si acoperisului.

Fig. 7: Ansamblu spatial al sistemului de pasarele si platformei marginale

Fig. 8: Detaliu sistem de pasarele (sus) si acoperis cu modul de ancorare in fundatie (jos)

Din cauza spatiului disponibil limitat pe amplasament, s-a ales solutia de fundare de adancime pentru stalpii metalici, folosind grupuri de minipiloti prevazuti la partea superioara cu radiere de beton armat cu grosime de 60 cm. Minipilotii sunt metalici, cu sectiune CHS 88,9*6, pusi in opera prin insurubare, si sunt incastrati in terenul bun de fundare alcatuit din pietris cu nisip. Acestia au fost insurubati oblic pentru a prelua eforturile din forta taietoare de la baza stalpilor. Forma in plan a fundatiilor difera din cauza amplasarii stalpilor intre ruinele arheologice. Fixarea stalpilor in fundatii s-a considerat articulata, fiind realizata prin imbinare cu dorn. Ansamblul spatial al fundatiilor se poate vedea in fig. 9.

Fig. 9: Ansamblu spatial al fundatiilor

1. Calcul structural – analiza globala

 Incarcarile considerate in analiza structurii au fost urmatoarele:

• Incarcarea permanenta pe acoperis g_k = 1,15 kN/m²;
• Incarcarea utila pe pasarele q_k = 3,0 kN/m²;
• Incarcarea din zapada s-a considerat conform CR 1-1-3-2012 [1], s_o,k = 1,06 kN/m² (zapada caracteristica 1,5 kN/m², coeficient de expunere de 0,8, coeficient termic de 1,0, coeficient de forma al incarcarii din zapada normala de 0,8, factorul de importanta 1,1);
• Incarcarea din vant conform CR 1-1-4-2012 [2], q_ref = 0,4 kN/m²;
• Actiunea seismica s-a evaluat conform P100-1-2013 [3], a_g =0,1g, T_c = 0,7 s, γ₁= 1,2 (clasa de importanta II), q = 1,5;
• Combinatiile incarcarilor s-au evaluat in conformitate cu CR 0-2012 [4], privind gruparea efectelor structurale ale actiunilor pentru verificarea la stari limita ultime.

Structura a fost dimensionata conform prevederilor SR-EN1993-1-1 [5], SR-EN1993-1-3 [6], SR-EN1993-1-5 [7], SR-EN1993-1-8 [8] si P100/2013-1 [3] folosind programul de analiza structurala ConSteel [9] pentru configurarea globala, respectiv IDEA StatiCa [10] pentru detalierea imbinarilor. In fig. 10 si 11 se pot vedea deformatiile verticale ale structurii si gradul de utilizare, conform calculelor efectuate. Deformatia maxima relativa in SLS a fost evaluata ca fiind max. 156,3 mm, ceea ce corespunde cu o deformatie de aproximativ L/200.

Fig. 10: Deformatii verticale maxime SLU (deformatii relative max. SLS 0,7*223,3 mm = 156,3 mm) in programul de analiza structurala ConSteel

Fig. 11: Gradul de utilizare a elementelor in SLU, in programul de analiza structurala ConSteel

2. Dificultati intampinate in procesul de proiectare, executie si montaj

 Dificultatile acestui proiect au provenit din deschiderea mare a acoperisului, care a putut fi rezemat pe doar 20 stalpi metalici, pozitionarea lor fiind conditionata de ruinele de la Thermae. Excluderea contravantuirilor a fost o cerinta arhitecturala in vederea obtinerii unei structuri cat mai elegante. Situl arheologic a avut rol de conditionare atat in procesul de proiectare, cat si in faza de executie. Din punct de vedere al proiectarii, pozitiile stalpilor si implicit pozitiile si dimensiunile fundatiilor au fost conditionate de ruinele existente. Proiectarea sistemului de pasarele, care le ofera turistilor acces la ruine, a necesitat spirit de inventivitate pentru a asigura protejarea ruinelor, dar in acelasi timp pentru realizarea unei structuri robuste. In cazul sistemului de pasarele, puncte de descarcare pe sol prin fundatii izolate au fost permise doar pe zona de platforma marginala si la capetele pasarelelor transversale, astfel s-a optat pentru suspendarea acestora de structura de acoperis. Dificultatile de montaj au fost considerate inca din primele faze a proiectarii.

Pe tot parcursul derularii proiectului au fost efectuate cercetari arheologice, acordandu-se atentie sporita in timpul sapaturilor. Latrina prezentata in fig. 12 a fost descoperita dupa ce structura a fost proiectata in intregime, trecand exact sub pozitia teoretica a unui stalp. Astfel, proiectul de rezistenta a necesitat interventii ulterioare, fiind modificata lungimea stalpului si recurgandu-se la o grinda de distribuire pentru realizarea fundatiilor separate pe cele doua laturi a latrinei.

Fig. 12: Latrina descoperita (stanga jos), suprapunere latrina descoperita cu fundatia initiala (stanga sus), modificare propusa si executata (dreapta sus si jos)

Pasarelele suspendate au fost montate cu pozitionarea utilajelor de ridicare intre ruine. Fig. 13 prezinta detalii din timpul montajului.

Fig. 13: Poze din faza de montaj a structurii de rezistenta

CONCLUZII

 Punerea in valoare si introducerea in circuitul turistic a castrului legiunii a V-a Macedonica, Potaissa, a fost un proiect complex, din care obiectul Thermae reprezinta doar o cota-parte, dar cu cele mai mari dificultati. Conditionarile de proiectare rezultate din pozitia ruinelor in situ au necesitat trasari foarte exacte in teren si de multe ori reluarea unor analize sofisticate, impuse de noi descoperiri arheologice pe parcursul executiei. Dificultatile au fost cauzate de deschiderea mare a acoperisului, care a putut fi rezemat doar perimetral, pe 20 stalpi articulati la baza, dispusi in plan printre ruinele existente, dimensiunea si pozitionarea fundatiilor fiind conditionata de traseul si cota ruinelor. Structura de sustinere a acoperisului a necesitat analize in mai multe ipoteze: fiind o structura deschisa, efectele actiunii vantului pot fi devastatoare, actiunea zapezii creeaza deformatii excesive, care influenteaza vibratiile structurii pasarelelor suspendate pe acesta, fiind necesare masuri de mentinere a frecventei minime peste o limita minima, dar si in aceste conditii ele vibreaza in intervalul de frecvente joase. Transmiterea incarcarilor la terenul bun de fundare printre ruine a necesitat reducerea suprafetei de transfer dar si identificarea si aplicarea unei solutii minim invazive, acceptata si de echipa de arheologi, responsabili de decopertarea si conservarea ruinelor. Solutia unanim acceptata s-a dovedit a fi cea constand in aplicarea unor piloti metalici forati. Cazul prezentat este si un foarte bun exemplu de evidentiere a rolurilor pe care un inginer proiectant de structuri le indeplineste in cadrul unui proiect, mai exact in procesul de proiectare, fabricatie si executie a unei constructii [11]: acestea sunt multe si implica o echipa interdisciplinara din ce in ce mai larga, cu care inginerul proiectant de structuri trebuie sa fie capabil sa comunice si sa colaboreze.

REFERINTE

[1] Cod de proiectare. Evaluarea actiunii zapezii asupra constructiilor. Indicativ CR 1-1-3-2012;

[2] Cod de proiectare. Bazele proiectarii si actiuni asupra constructiilor. Actiunea vantului. Indicativ CR 1-1-4-2012;

[3] P100-2013: Cod de proiectare seismica P100. Partea I: Prevederi de proiectare pentru cladiri;

[4] CR-0-2012: Cod de proiectare pentru bazele proiectarii structurilor in constructii;

[5] SR EN 1993-1-1 Eurocode 3: Proiectarea structurilor de otel Partea 1-1: Reguli generale si reguli pentru cladiri;

[6] SR-EN 1993-1-3: Eurocod 3: Proiectarea structurilor de otel Partea 1-3: Reguli suplimentare pentru elemente structurale si table formate la rece;

[7] SR-EN 1993-1-5: Eurocod 3: Proiectarea structurilor de otel Partea 1-5: Elemente structurale din placi plane solicitate in planul lor;

[8] SR-EN1993-1-8:Eurocod 3: Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-8: Proiectarea imbinarilor;

[9] Consteel software user manual – www.consteelsoftware.com;

[10] IDEA StatiCa software user manual – www.ideastatica.com;

[11] Rolul Inginerului Proiectant de Structuri, Editura AICPS 2022, ISBN 978-973-0-36192-6.

Autori:

Zsolt NAGY, Andrea R. KELEMEN, Annabella SANDULY ‒ Gordias SRL

Paul MOLDOVAN, Anamaria MOLDOVAN ‒ Ateliercetrei SRL

(Lucrare prezentata la a 18-a Conferinta Nationala de Constructii Metalice – „Construieste cu STEEL” – 15-16 aprilie 2024, Cluj-Napoca, Romania | www.con-steel.ro)

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 213 – mai 2024, pag. 36-40