UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII BUCUREŞTI FACULTATEA DE CONSTRUCŢII CIVILE, INDUSTRIALE ŞI AGRICOLE Specializarea: TEHNOLOGIA ŞI MANAGEMENTUL LUCRĂRILOR DE CONSTRUCŢII

REFERAT PATOLOGIA CONSTRUCŢIILOR

Profesor îndrumător: Masterand : Prof. dr. ing. P. Popescu Popescu Irina Adela

Anul I

2011BIODETERIORAREA CONSTRUCŢIILOR

Zidăria este una dintre cele mai vechi metode de construcţie din lume.Termenul de zidărie se aplică, de obicei, unei construcţii executate

din materiale unitare ca piatra, argila sau betonul, unite între ele prin mortar, sau aşezate fără mortar, iar, uneori, armate, astfel încât să creasca rezistenţa la întindere şi forfecare. Clădirile cu pereţi portanţi din zidărie reprezintă un sistem tradiţional,folosit în mod curent, pentru:♦ Cladiri parter şi etajate: locuinţe sau clădiri cu funcţiuni similare (hoteluri, moteluri, cămine, internate, creşe), cladiri pentru invatamant şi ocrotirea sănătăţii, alte tipuri de cladiri social culturale care nu necesită spaţii libere mari.♦ Cladiri tip „sală" cu deschideri şi înălţimi moderate (9-12 m,respectiv 6-8m ), pentru ateliere, depozite, clădiri agrozootehnice.

Pereţii din zidărie pot fi realizati din cărămidă, blocuri ceramice, blocuri din beton greu sau uşor.

Mortarele utilizate sunt mortare obişnuite pentru zidării şi tencuieli. Pereţii portanţi se pot executa din zidărie simplă sau armată. Zidăria armată se obţine prin asocierea zidăriei cu bare din oţel aşezate în rosturile orizontale sau cu elemente din beton armat, astfel:-centuri orizontale şi stâlpişori verticali (zidărie complexă),-inima de beton, armată cu oţel ductil (zidarie cu inima armata). Cele mai utilizate zidării, în construcţii, au fost cele de cărămidă care prezinta o serie de avantaje: sunt durabile - până la câteva sute de ani, sunt bune izolatoare termice şi asigură o bună izolare acustică.Din punct de vedere mecanic la zidăriile de cărămidă se pot constata două tipuri principale de avarii:♦ crăpături pronunţate care indică dislocări masive de zidărie;♦ crăpături mai mici, însă numeroase, care arată o dezagregare a zidăriei.

Aceste degradari au drept cauze principale: cutremurul, tasările inegale şi stările îndelungate de umezire.

Tasarea inegală a terenului conduce la degradarea zidăriei portante, în special în cazul terenurilor sensibile la umezire sau al pământurilor de umplutură.

Zidăriile executate din cărămizi de calitate inferioara, nearse, cuincluziuni, având rosturi mari, inegale şi neumplute cu mortar vor fi,evident, supuse degradărilor. De asemenea, punerea în operă a caramizilor prăfuite, neumezite,precum şi folosirea unui mortar de calitate necorespunzatoare, confecţionat din nisip murdar, favorizeaza realizarea unei zidării cu rezistenţă scăzută.

Din punct de vedere fizico-chimic zidăria este deteriorată şi degradatădin următoarele cauze interne şi externe: defecte de compoziţie, defecte de coeziune cristalină, defecte de conceptie, arhitectură, mediu, structură, defecte de execuţie.

Principalii agenţi ambianţi care deteriorează şi degradează zidăriasunt următorii:

Chimici Fizici Biologici

2

OxigenulOzonulOxidul de carbonHidrogenul sulfuratAcizii, alcalii, sarurileApaSolventii orgamci

Energia radiatilorCaldura şi temperaturi ridicate)FrigulAbraziviApaMaterii în miscare

VegetatiaInsecteleAnimaleleOamenii

Depunerile şi petele constituie aspecte ale degradării zidăriei, dovedind probleme interne ce pot genera, la rândul lor, probleme structurale. Cele mai importante cauze ale depunerilor, petelor şi dezintegrărilor sunt: contactul cu umiditatea şi sărurile din sol, poluareaaerului, agenţii biologici şi elementele metalice corozive.

Umiditatea este principalul agent de origine fizică al procesuluide degradare a zidăriei.

Umiditatea constituie un catalizator care favorizează degradarea, prin intermediul sărurilor solubile, poluării aerului şi agenţilor biologici.

Toate materialele de zidărie sunt mai mult sau mai puţin poroaseşi permeabile la apă şi la vapori de apă, potrivit structurii capilare.

O cadere bruscă de temperatură face să îngheţe apa în porii uneizidării, al carui volum creşte cu 10%. Această acţiune cauzează o presiunemecanică, ce poate sparge pereţii porilor şi, în cele din urmă, provoacădezintegrarea materialelor de zidărie. Este de reţinut faptul că umiditatea migrează în zidărie.

Zidăria absoarbe umiditatea din sol, din aer, din elementele de construcţie adiacente. Umiditatea care penetrează zidăria este însoţită, adesea, de săruri şi alte substanţe solubile.

Acţiunea capilară în materialele poroase ale zidăriei crează osucţiune, care produce urcarea apei din sol, ce conţine, adesea, săruri însoluţie.

O zidărie cu microporozitate ridicată are o presiune capilarăridicată. Această aptitudine, de atragere şi reţinere a apei, conduce la riscul unei degradări rapide.

Acizii au ca efect transformarea metalelor din lianti (cu preponderenta calciul) în materiale solubile, care apoi sunt spalate spre exteriorul materialului de constructie prin apa freatica, de infiltratie sau pluviala. Prin aceasta structura materialului se slabeste, respective liantul se deterioreaza. Pentru ca sarurile sa aiba un efect distrugator, acestea trebuie sa reactioneze în procese chimice sau fizice cu materiale de constructie minerale sau sa urmeze o alta interactiune cu acestea. La asanarea materialelor incarcate cu saruri trebuie sa se procedeze deosebit de diferentiat.

Poluarea aerului prin gaze acide este principala cauza a degradarii elementelor componente ale zidariei. Aerul din zonele cu populatie densacontine, în medie, mai multe impuritati solide şi gazoase care accelereazadegradarea zidariei.

3

Agenti biologici - prezenta arborilor şi a plantelor, pe o constructiesau în vecinatatea ei, risca sa favorizeze degradarea acesteia şi saderanjeze evaporarea apei din pereti.

Existenta vegetatiilor indica, în general, o umiditate ridicata amaterialelor. Radacinile plantelor nu penetreaza, de obicei, o piatrasanatoasa, fara fisuri sau rosturile de mortar bine cimentate. Ele cresc inlungul suprafetelor rugoase, unde interactioneaza chimic cu mineralelesi extrag rarele substance nutritive, atacand suprafetele.

Degradarea mortarului este atribuita unei interactiuni complexea materialelor constituente, factorilor de mediu şi practicilor deconstructie. Mortarul şi caramizile sunt materiale poroase, care absorbumiditatea aerului ambiant, umiditate care este factorul eel mai impor-tant în deterioararea mortarului.

Tipuri de deteriorare a mortarului:- fisurarea,- dezintegrarea,- scorojirea,- eroziunea,- decaparea.

- dezintegrarea se manifesta prin prezenta fisurilor, orientate la intamplare; are la origine diverse mecanismeiactiunea inghetului, atacul chimic, prezenta substantelor organice, cristalizarea sarurilor solubile, coroziunea metalelor. Dezintegrarea mortarului poate fi asociata cu deteriorarea elementelor de zidarie.

- scorojirea este separarea mortarului de la suprafaţă sub forma de „felii" fine sau de bucăţi mici; din punct de vedere fizic, ea este un efect secundar al dezintegrarii.

- eroziunea se caracterizeaza printr-o distrugere a mortarului la suprafafa, care este cauzat de agenti abrazivi mecanici ca: jetul puternic de apa, furtuna de nisip, circulate umana.

- decaparea este o deteriorare superficiala, caracterizata printr-o fata rugoasa a mortarului, fiind cauzata de solutii acide din diferite surse.

• Mecanisme de deteriorare a mortarului de zidarie

- Reactiile alcaline ale nisipului

Desi nisipul este considerat, în general, ca un material de amestec inert în mortare, se produc totusi, unele reactii chimice intre nisip si ciment sau var. Reactiile chimice intre anumite tipuri de nisip şi alcalii din pasta de ciment pot cauza dilatarea mortarului, care conduce ladezintegrare. În general, reactiile alcaline ale nisipului se bazeaza pe prezenta umiditajii şi sunt accelerate de cresterea continutului în alcali ale pastei de ciment şi de cresterea temperarurii.

4

- Cristalizarea sarurilor solubile

Numeroase saruri solubile din apa sunt prezente în mortar. Ele sunt transportate în mortar de umiditatea provenita din sol sau alte surse. Sarurile solubile includ sulfati, carbonati şi silicati de sodiu, de potasiu, de calciu şi de magneziu. Cimentul Portland este o sursa de sulfati de sodiu şi de potasiu.Atunci cand umiditatea se evapora, aceste saruri cristalizeaza si pot forma eflorescente. Dezintegrarea mortarului se produce cand, in interiorul porilor, se formeaza cristale; efectul distructiv este cauzat de cresterea volumului prin cristalizare.

- Carbonatarea este reactia chimica intre bioxidul de carbon din atmosfera şi hidroxidul de calciu din elementul intarit. Efectul carbonatarii creste cu diminuarea alcalinitatii mortarului, care favorizeaza eventuala coroziune a metalelor.

- Atacul chimic - sulfaţii solubili prezenti în mortar pot reactiona cu aluminatul tricalcic, care se găseşteîn cimentul Portland. Produsii de reactie au un volum mai mare si, în consecinta, se creaza o forta care produce dezintegrare.

- Coroziunea metalelor inglobate produce fisurarea şi dezintegrarea mortarului, din cauza ruginii care rezulta din coroziune şi care are un volum de doua ori mai mare decat fierul din care provine.

5

EFECTELE CUTREMURULUI DIN 1977 ASUPRA CLĂDIRILOR ÎNALTE

În perioada 1900-1990 în lume s-au produs cca. 1.100 cutremure cu urmări grave în privinţa pierderilor de vieţi cauzând peste 1.530.000 morţi. România se află pe locul 24 dintre cele 80 de ţări care au înregistrat victime la seisme.

Pe teritoriul României, în acest secol, dintre cele 109 cutremure cu magnitudine M>5.0, înregistrate în teritoriu, 100 de seisme s-au produs în zona Vrancea. În privinţa cutremurelor puternice, intermediare, unele studii seismologice iau în considerare o relativă ciclicitate de cca. 100 ani, cu trei intervale de timp în care activitatea seismică este mai intensă (anii 5±; 35±; 80± din fiecare secol); următorul cutremur puternic (M>7.0), în România, este prognozat statistic de unii specialişti pentru primul deceniu al secolului XXl.

Ca urmare a studiilor, rezultă că teritoriul României este afectat în cazul cutremurelor de Vrancea cu magnitudine M>7.0 de intensităţi I>VII MSK pe mai mult de 50% din suprafaţă, o zonă dens populată (cca. 60% din populaţia de cca. 23 milioane, incluzând Bucureştiul, capitala ţării cu peste 2 milioane locuitori), cu o suprafaţă de cca. 100.000 km2, caz unic în lume, din punct de vedere al ariei expuse riscului seismic.

Oraşul Bucureşti, propriu-zis, are o suprafaţă de 227 km2 şi o populaţie de circa 2.073.900 locuitori, repartizaţi în 6 sectoare, cu peste 110.000 clădiri, incluzând 866.000 locuinţe sau apartamente, dintre care o mare parte sunt situate în clădiri înalte.

Specificul urban al Municipiului Bucureşti (construcţii, reţele şi dotări industriale existente) este reprezentat de următoarele caracteristici:- în perioada 1925-1940 au fost executate în zona centrală câteva sute clădiri înalte (7-12 niveluri) cu schelet din beton armat, fără a fi proiectate să reziste la cutremure; aceste tipuri de clădiri sunt situate pe axele principale ale aşezării şi în interiorul primului inel de circulaţie;- după 1950, în zonele periferice, s-au construit peste 30 de ansambluri (cartiere noi sau sistematizări de-a lungul unor artere principale şi centuri interioare), în intersecţii au fost amplasate structuri cu 8-18 niveluri, iar în interiorul cartierelor clădiri cu 5-11 niveluri;- toate structurile de construcţii, executate după 1950, au fost proiectate să reziste la cutremur potrivit cunoştinţelor existente la data respectivă. Până în 1977 a existat o hartă de microzonare a teritoriului oraşului, dar aceasta a fost infirmată de analiza efectelor reale şi scoasă din uz;- construcţiile proiectate antiseismic după 1940-1950 au avut o comportare satisfăcătoare în 1977, dar anumite categorii de structuri au suferit avarii şi necesită consolidări;- specificul vulnerabilităţii construcţiilor din Bucureşti este în consecinţă dominat de lipsa de rezistenţă antiseismică a unui număr mare de clădiri dinainte de 1940, în special cele înalte din beton armat, precum şi prin unele sensibilităţi la mişcări seismice de Vrancea ale unor structuri flexibile proiectate între anii 1950-1977. În aceste clădiri înalte locuieşte o pondere importantă din populaţia capitalei;- privit ca un sistem funcţional, din punct de vedere urban, Municipiul Bucureşti poate reprezenta caracteristici de vulnerabilitate din cauza concentrării de clădiri înalte vulnerabile construite înainte de 1940 în zona centrală şi a efectelor negative care se pot produce prin avarierea unor construcţii industriale, reţele de utilităţi, lucrări inginereşti, al căror potenţial de a suferi avarii la seism nu a fost cuantificat încă. La acest fapt contribuie şi efectele seismelor anterioare (1940, 1977, 1986, 1990 2004 şi 2009) reparaţiile şi consolidările precedente, în cazul în care s-au efectuat, precum şi lucrările de întreţinere curente.

6

Clădiri executate înainte de 1940, prăbuşite sau avariate în 1977 în Bucureşti

Prăbuşirea „sandwich” a blocurilor construite înainte de 1940 de la Colonade – Str. Ion Ghika,

Blocul Casata, Bd. Magheru, construit înainte de 1940, înainte şi după 4 martie 1977

Bowindourile, elemente arhitecturale adoptate în Bucureşti, care s-au dovedit foarte vulnerabile la cutremurul din 1977 (Calea Moşilor nr. 133)

7

Conform datelor statistice istorice, există o aşa-numită “ciclicitate” a cutremurelor de Vrancea, în ultimul mileniu, marile seisme producându-se, în medie, de cca. 3 ori pe secol. Faptul că aceste seisme se produc la adâncimi mari face ca aria afectată să cuprindă suprafeţe vaste, oraşul Bucureşti fiind în proximitatea zonei de rupere.

În istoria seismică a ţării, sunt mai cunoscute marile cutremure de Vrancea din 14/26 octombrie 1802 şi cel din 11/23 ianuarie 1838.

În secolul XX, cutremurul din 10 noiembrie 1940 a produs între 500 şi 1.000 de victime dintre care cca. 136 de morţi şi 82 de răniţi, ca urmare a prinderii sub ruine a locatarilor Blocului Carlton din Bucureşti.

În urma cutremurului din 4 martie 1977, şi-au pierdut viaţa 1.570 de persoane şi au fost rănite 11.321 de persoane, 90% dintre pierderile de vieţi înregistrându-se în capitală.

În Bucureşti s-au prăbuşit 28 de clădiri construite înainte de 1940, dar numai 3dintre cele proiectate după normativele dintre 1960 şi 1977.

În total, în ţară s-au prăbuşit sau au fost grav avariate 32.900 de locuinţe şi 35.000de familii au fost sinistrate.

Planul zonei centrale din Bucureşti reprezentând clădirile prăbuşite la cutremuruldin 4 martie 1977- puncte roşii - clădiri constuite înainte de 1940- puncte albastre – cele 3 clădiri constuite înainte de 1977

Conform evaluărilor de risc seismic, clădirile cele mai vulnerabile din acest punct de vedere sunt clădirile înalte cu schelet din beton armat şi pereţi de închidere sau despărţitori de zidărie realizate înainte de anul 1941, precum şi construcţiile vechi cu pereţi structurali de zidărie şi planşee de lemn. Surse potenţial majore de risc sunt spaţiile publice aflate la parterul clădirilor de orice tip, calcanele, aticele (părţi ale unei construcţii aflate deasupra cornişei care maschează acoperişul), coşurile de zidărie şi eventuale elemente de faţadă ale diferitelor clădiri.

De aceea, categoria de clădiri cea mai expusă riscului este reprezentată de clădirile înalte (7-12 nivele) cu schelet de beton armat, construite înainte de anul 1941 fără protecţie antiseismică, care constituie şi categoria prioritară a programului de intervenţie actual, coordonat de Ministerul Dezvoltării, Lucrărilor Publice şi Locuinţelor.

Tipurile de structuri construite între anii 1946-1950 şi 1977, cum ar fi structurilecu parter flexibil şi pereţii structurali slab armaţi, se încadrează în grupe tipologice cu anumite vulnerabilităţi, în funcţie de nivelul de protecţie conferit de normativele din perioadele respective,

8

necesitând o atenţie sporită. Diferitele dotări industriale şi reţele de infrastructuri prezintă, de asemenea, vulnerabilităţi specifice.

În general, structurile din beton armat înalte predomină în mediul urban, în timpce clădirile din zidărie, piatră, lemn şi pământ predomină în mediul rural.

Construcţiile din mediul rural realizate din materiale locale, deşi pot fi avariate la intensităţi ridicate, nu prezintă pericole excesive pentru viaţa locatarilor şi nu produc dezastre, datorită efectului conformării antiseismice, bazat pe experienţa locuirii de mii de ani în condiţii seismice.

Explicarea avariilor şi distrugerilor produse de cutremure poate contribui în mod esenţial la stabilirea regulilor şi prescripţiilor privind proiectarea structurilor situate în zone seismice. Aceste avarii şi distrugeri trebuie interpretate şi înţelese cât mai judicios, ţinându-se seama de toţi factorii care intervin.

Comportarea în ansamblu a unei construcţii la acţiunea distructivă a şocurilor seismice depinde de următorii factori principali:- tipul structural şi distribuţia spaţială a rigidităţilor; -dimensiunile geometrice mai importante: forma în plan şi înălţimea totală; - materialele utilizate şi proprietăţile lor fizico-mecanice; - distribuţia zidurilor despărţitoare şi procentul de goluri; - natura terenului în care este amplasată construcţia; - tipul de fundaţie adoptat şi condiţiile de fundare; - destinaţia construcţiei; - calitatea execuţiei.În acelaşi timp, deteriorările sau distrugerile pot fi diferite chiar pentru acelaşi cutremur sau pentru cutremure având diverse poziţii ale epicentrului. De asemenea, mai intervin geologia terenului prin care se transmit undele seismice de la focar până la suprafaţă, natura straturilor superficiale, existenţa apelor subterane şi poziţia pînzei freatice.

În general, distrugerea unei construcţii în urma unui cutremur se poate atribui următoarelor erori:1. erori de execuţie : utilizarea unor betoane slabe, plasarea greşită a armăturilor, segregări ale betonului, îmbinări defectuoase, etc.2. erori de proiectare : pot fi greşit concepute structura de rezistenţă, distribuţia rigidităţilor, dimensiunile şi forma unor elemente de rezistenţă, calitatea materialelor folosite, conformarea spaţială a structurii etc.3. erori de calcul : se pot datora unei false schematizări a structurii de rezistenţă, utilizării unor metode greşite de analiză, aprecierii eronate a datelor de intrare, subdimensionării unor piese puternic solicitate etc.4. erori în datele geotehnice : cu privire la compresibilitatea pământului, gradul de umezeală, susceptibilitatea la tasări, perioada dominantă a terenului etc.5. erori în normele de proiectare : Un proiect, chiar dacă este riguros întocmit în baza normelor de calcul oficiale (excluzând erorile posibile enumerate mai sus), poate fi compromis dacă prevederile regulamentului nu concordă cu forţele efective ce se manifestă în timpul unui cutremur.

Construcţiile din beton armat, monolit au în general o comportare satisfăcătoare la solicitările produse de cutremure atunci când sunt bine proiectate şi executate. Principalele avarii observate la aceste construcţii sunt următoarele:

9

- forfecarea stâlpilor şi în special a celor de colţ şi de faţadă mai solicitaţi; - plastifieri ale capetelor stâlpilor de la parter, în cazul construcţiilor al căror parter are o flexibilitate pronunţată, datorită concentrărilor de energie; - cedarea îmbinărilor în noduri, la capetele stâlpilor cu forţe axiale mari, prin distrugerea betonului şi flambarea armăturii, datorită lipsei etrierilor; - fisuri sau cedări plastice în grinzile slab armate sau puternic solicitate (la îmbinările cu stâlpii exteriori sau în casa scării); - avarii pronunţate în elementele verticale de rezistenţă (stâlpi, diafragme) datorită asimetriei structurale şi apariţiei fenomenelor de torsiune; - plastifierea buiandrugurilor la construcţiile înalte în diafragme verticale de rezistenţă, care funcţionează ca concentratori de energie; - dislocarea zidăriei de umplutură (neportantă); - crăpături în fundaţii continue sau pe radier etc.

Printre efectele cutremurului din 1940 au fost constatate avarii importante ale structurilor din beton armat. Caracteristicile avariilor produse de cutremur, au fost urmatoarele:- colapsul sau distrugerea primului nivel flexibil;- colapsul sau distrugerea primului nivel sau/si al altui nivel de asemenea slab;- colapsul complet sau distrugerea totala a etajelor sau a legaturii intre nivele;- avarierea imbinarilor elementelor din otel, a elementelor compozite si a elementelor din beton armat;- avarierea ancorajelor structurilor din otel la nivelul prinderii stâlpilor infundatii;- avarierea ancorajelor armaturilor din peretii structurali;- avarierea nodurilor de cadre grinda – stalp;- colapsul sau distrugerea grava datorita cedarii transversale a stâlpilor dinbeton armat, prin ruperea armaturii transversale;- avarii datorate ciocnirii structurilor invecinate;- prabusirea elementelor prefabricate ale articelor sau lateralelor acoperisului.

În afara colapsurilor, a distrugerilor partiale si a avariilor constructiilor ,se constata ca efectele secundare sau dezastrele asociate s-au manifestatevident, producând sau contribuind la distrugerile provocate de fenomenul principal, cutremur.

10