Cedarea unui zid de sprijin datorita unei slabe proiectari si executii Studiu de caz

Rezumat

Subiectul aceste lucrari il reprezinta un zid de sprijin din beton armat care s-a prabusit fara nici un avertisment la data de 25 mai, 2006 in centrul orasului Kahramanmaras, Turcia. Desi nu au existat pierderi de vieti omenesti, o cladire a fost sever avariata. Dupa cedarea zidului de sprijin s-a facut o investigatie care a furnizat informatii privind conditiile care au condus la cedarea acestuia. Studiile au aratat ca cedarea s-a produs in principal datorita materialelor de slaba calitate folosite si datorita unei manopere slabe. Au existat deasemenea erori de proiectare. Mai mult, proiectarea si executia nu au fost facute in concordanta cu normativul TS 7984 alflat in vigoare la momentul respectiv in Turcia.

Introducere

Zidurile de sprijin au scopul de a proteja cladiri, structuri sau anumite zone de masivele de pamant care le-ar putea afecta. Obiectivul principal al acestor structuri, realizate in general din zidarie, piatra sau beton, este acela de a preveni producerea alunecarilor de teren si de a rezista presiunilor laterale exercitate de pamant. Multe ziduri de sprijin pot ceda din cauza unei proiectari neadecvate, materiale de proasta calitate si a unei manopere slabe. In proiectarea unui zid de sprijin trebuie efectuate trei verificari si anume : verificarea de stabilitate, alunecare si capacitate portanta. Un alt considerent important este nivelul apei subterane, apa avand un efect important asupra presiunii laterale. Presiunea apei reduce efortul efectiv insa in acelasi timp actioneaza ca o presiune suplimentara asupra zidului ceea ce duce la cresterea momentului de rasturnare si cresterea riscului de alunecare.

In multe cazuri cedarea s-a produs datorita mai multor factori cum ar fi executie si proiectare neadecvata, materiale de calitate inferioara, conditii neasteptate, lipsa unei bune coordonari a responsabilitatilor intre proiectant si beneficiar.

Aceasta lucrare se concentreaza asupra cedarii zidului de sprijin din Kahramanmaras, Turcia unde se pare ca cedarea a fost provocata in principal de o proiectare gresita, executie slaba si folosirea de materiale de calitate inferioara.

Performanta zidului de sprijin

Cedarea s-a produs in mai 2006. Motivele principale ale cedarii au fost inaltimea mare a zidului (8.9 m) si acumularea de presiune a apei datorita precipitatiilor puternice in spatele zidului care nu era prevazut cu un sistem de drenare. Deasemenea, suprasarcina din greutatea vehiculelor parcate deasupra zidului nu a fost luata in considerare in proiectare. In figurile ce urmeaza pot fi vazute imagini cu zidul prabusit si cladirea pe care a avariat-o. Cedarea s-a produs in timpul sau dupa o perioada de precipitatii puternice. Presiunea apei din pori se pare sa fi fost elementul care a declansat cedarea. S-a constatat deasemenea o eroziune a suprafetei pamantului datorata scurgerii apelor. Fata aproape verticala a zidului pare sa constea din agregat uniform nederanjat.

Fig. 1 Ruperea zidului de sprijin

Fig. 2 Zidul colapsat

Fig. 3 Avariere puternica a cladirii invecinate

Detalii si erori de proiectare

Au fost efectuate analize pentru stabilirea grosimii betonului si armatura folosita, realizate conform standartului turcesc TS 7994. S-a tras concluzia ca zidul a fost prost dimensionat dupa cum se poate observa in figura de mai jos.

Fig. 5 Predimensionare conf. NP 124

Fig. 4 Sectiune zid de sprijin

Efectul calitatii materialelor

In acest studiu de caz, folosirea materialelor de slaba calitate se considera a fi unul din motivele producerii avarierii. Calitatea slaba a betonului si proiectarea neadecvata in ciuda cerintelor impuse de normativele in vigoare reprezinta adevaratul motiv al cedarii. In figura 6 se poate observa segregarea betonului iar agregatul folosit prezinta o distributie necorespunzatoare a dimensiunii particulelor – figura 7. Agregatul a fost luat din albia unui rau secat aflat in apropierea sitului si continea un procent mare de materie organica. Rezistentele la compresiune ale betonului zidului de sprijin si cladirii avariate

(efectuate cu sclerometrul dar si pe carote) sunt prezentate in tabelul 1.

Fig. 6 Beton segregat in zidul de sprijin

Fig. 7 Agregat fara o distributie corecta a dimensiunii particulelor

Fig. 8 Curba granulometrica a agregatului folosit la zidul de sprijin impreuna cu limitele superioara si inferioara

Tabelul 1 Rezistentele la compresiune ale betonului pentru zidul de sprijin si pentru cladirea avariata

Tipul de incercarePe carota (MPa) Cu sclerometru (Mpa)

Zidul de sprijin 14.4 13.2Cladirea avariata 21.3 20.9

Aspecte privind proiectarea

Proiectarea nu a respectat prevederile din normativul TS 7994 [10]. Acest normativ include aspecte din Eurocodul 8 : proiectarea structurilor pentru rezistenta la cutremur - partea 5 : fundatii, structuri de sustinere si aspecte geotehnice. Sunt date astfel indicatii privind calitatea materialelor care trebuie folosite si criterii de proiectare a zidurilor de sprijin. Conform TS 7994 [10] in proiectarea zidurilor de sprijin trebuie verificata stabilitatea zidului, rezistenta la alunecare, presiunile pe talpa fundatiei si antrenarea hidrodinamica. Presiunile laterale au fost calculate conform teoriei Coulomb. Aceasta teorie sugereaza ca suprafata de cedare este plana si frecarea dintre pamant si zid este luata in considerare. Normativul TS 7994 [10] impune deasemenea verificarea stabilitatii generale (pierderea echilibrului general). In acest caz, analiza de stabilitate se realizeaza considerand o anumita suprafata posibila de cedare – detalii sunt date in TS 7994.

Investigarea cedarii

Caracteristicile pamantului

Au fost analizate proprietatile fizice si mecanice ale pamantului. In acest scot au fost prelevate probe tulburate si netulburate prin forare de la diferite adancimi variind intre 3 si 10 m. Probele au fost prelevate cu atentie si au fost efectuate incercari standard de laborator precum : determinarea limitelor Atterberg si incercari neconfinate in aparatul triaxial. Figura 8 prezinta curbele granulometrice ale pamantului.

Adancime : 3 m

Adancime : 6 m

Adancime : 10 m

Fig. 9 Curbe de granulozitate ale pamantului la diferite adancimi

Pentru a stabili cauzele care au dus la cedarea zidului de sprijin a fost facuta o investigare a pamantului pe care au fost amplasate fundatiile. S-a ajuns la concluzia ca pamantul pe care a fost amplasat zidul este de tip pietris prafos (silt gravel – GM). Incercarile de teren si de laborator au inclus : determinarea umiditatii, stabilirea limitelor Atterberg, clasificarea pamantului si incercari de penetrare standard (SPT). Incercarile SPT au fost realizate in teren pentru a stabili capacitatea portanta a pamantului. Incercarile de laborator s-au axat pe stabilirea parametrilor de rezistenta ai pamantului.

Proiectarea zidului de sprijin

Zidul de sprijin a fost proiectat cu ajutorul unui program de calcul care a urmarit metodologia nationala de proiectare a structurilor din beton pentru stabilitate interna si externa din Turcia. O prezentare a geometriei zidului se poate observa in figura 10. Parametrii pamantului compactat utilizati in proiectarea zidului sunt dati in tabelul 2. In figurile 11(a) si 11(b) este prezentata o impartire a sectiunii transversale a zidului de sprijin in figuri geometrice simple. Permeabilitatea estimata a sedimentului glaciar compactat este de 10.4 – 10.5 cm/s.

Tabelul 2. Parametrii pamantului compactat folosit pe post de umplutura

umiditate limita de consistenta indicele de plasticitateclasificarea pamantului

9% NP NP GM

Fig. 10 Geometria zidului de sprijin

Fig. 11(a) Greutatea zidului impartita pe diferite sectiuni

Fig. 11(b) Greutatile pamantului

A fost efectuata o revizuire a proiecarii originale folosind principiile de proiectare a lucrarilor din beton si zidarie din Turcia [11]. A fost evaluata stabilitatea interna si globala a zidului de sprijin. Problemele care apar in cazul unui zid de sprijin implica multe variabile precum dimensiunile zidului, panta umpluturii, rezistentele betonului si armaturii, capacitatea portanta a pamantului, caracteristicile umpluturii, nivelul apei subterane, etc. Proiectarea originala s-a realizat considerand ca nu va exista presiune hidrostatica care sa actioneze asupra zidului. A fost evaluata rezistenta zonei de conectare intre zidul propriu-zis si fundatie. S-a observat ca ciocurile etrierilor nu au fost realizate in mod corespunzator rezultand intr-o conlucrare slaba intre beton si armatura. Deasemenea nu a fost asigurata o acoperire cu beton corespunzatoare ceea ce a dus la corodarea armaturii. Asadar avem : rezistenta la compresiune necorespunzatoare, distributie a particulelor agregatului deasemenea necorespunzatoare, armare slaba, conlucrare slaba intre beton si armatura. Deasemenea grosimile elementelor nu sunt corespunzatoare.

Proiectarea zidului de sprijin

Geometria zidului este prezentata in figurile 11 si 12. Principalele elemente folosite in proiectarea zidului sunt : geometria, fortele care actioneaza asupra zidului si caracteristicile materialelor. Acesti parametrii sunt : h1 = inaltimea zidului, q = suprasarcina, γc = greutatea volumica a betonului, γs = greutatea volumica a pamantului, ka = coeficientul impingerii active, kp = coeficientul impingerii pasive, σs = rezistenta pamantului, Pw = presiunea apei.

Fig. 12 Reprezentarea presiunilor pamantului

Inainte de a analiza stabilitatea zidului de sprijin trebuie determinata greutatea zidului, a pamantului, presiunile pamantului cu punctele corespunzatoare de aplicare. Apoi se stabilesc constrangerile. In acest scop, pot fi utilizate variabile intermediare sau auxiliare care sa usureze munca. Din moment ce formularile permit folosirea acestor variabile auxiliare, o expresie explicita a constrangerilor in termeni de parametri de proiectare nu este necesara (formulele 1 si 2). Figura 13 ilustreaza greutatile : w i; i=1,2,3, diferitelor sectiuni ale zidului precum si punctele in care actioneaza. In mod asemanator, greutatile si, i=1,2,3, ale diferitelor volume de pamant sunt ilustrate in aceeasi figura. Presiunile laterale ale pamantului sunt prezentate in figura 12. Calculul greutatilor si presiunilor este dat in figura 13.

Dimensiunile zidului sunt dupa cum urmeaza : a=160 cm, b=40 cm, c=100 cm, Z t=30 cm, q=17 kN/m3, h1=890 cm, h2=35 cm, γc=24 kN/m3 si γs=17.8 kN/m3. Unghiul de frecare interna al umpluturii este Φ=35°. Se determina dimensiunile de proiectare si se fac calculele necesare (vezi fig. 12). Valorile presiunii active si pasive se obtin cu ajutorul formulelor 1 si 2, prin metoda Rankine si sunt date in tabelul 3. Valorile presiunilor, greutatilor si momentelor calculate sunt date in tabelul 4.

Fig. 13 Calculul presiunilor si greutatilor

Tabelul 3. Valorile presiunii active si pasive

Tabelul 4. Forte si momente

pa= (σv-u)Ka, Ka=tg2(45-35/2)=0.271, σv=q+γz (1)

pp= (σv-u)Kp, Kp=tg2(45+35/2)=3.69, σv=q+γz (2)

(σv-u) = efort efectiv, Ka= coeficientul impingerii active, Kp=coeficientul impingerii pasive, γ = greutatea volumica a pamantului.

In cazul prezentei apei subterane, efortul efectiv in pamant scade datorita presiunii apei. Acest lucru duce la o scadere a presiunii active si pasive. Celalalt efect al apei subterane este acela ca in spatele zidului de sprijin se dezvolta o presiune hidrostatica. Aceasta presiune trebuie adaugata presiunii laterale a pamantului.

Pentru zidul de sprijin investigat sunt calculate fortele verticale, orizontale si momentele. In timp ce momentul de rasturnare rezulta la o valoare de 1946.9 kNm, momentul de stabilitate rezulta 629.9 kNm. Acest lucru duce la un factor de siguranta (egal cu raportul dintre momentul stabilizator si momentul destabilizator) de 0.32, cand acest factor ar trebui sa fie ≥ 2 conform CE-TS EN ISO 9001:2000.

Este facuta si verificarea la alunecare. In acest scop este calculata forta laterala totala, aceasta rezultand 581 kN/m. Forta verticala totala rezulta 280 kN/m. Aceasta valoare, afectata cu coeficientul de

frecare dintre talpa fundatiei si pamant rezulta 118.8 kN/m. Astfel, factorul de siguranta pentru alunecare rezulta 0.2 cand acesta ar trebui sa fie ≥ 1.5 conform CE-TS EN ISO 9001:2000.

Caracteristicile materialelor

Calitatea slaba a materialelor reprezinta unul din factorii principali care conduc la cedarea structurilor. Acest lucru a fost observat si raportat de mai multi cercetatori. Betonul gata preparat este relativ nou pentru Turcia si a devenit destul de popular. In general se folosea beton preparat manual. Muncitorii nu cunosc principiile de realizare a unui beton de calitate. Lipsa unei analize granulometrice a agregatului, amestecarea necorespunzatoare a componentelor betonului, lipsa vibrarii betonului in timpul punerii in opera, tratarea insuficienta dupa turnare si fara a acorda atentie conditiilor meteorologice, raportul mare apa/ciment pentru lucrabilitate sunt greseli des intalnite. Aceleasi greseli au fost intalnite si in acest caz.

Rezistenta la compresiune determinata pe carote extrase din zid a rezultat considerabil de mica.

Cauzele cedarii

- Zidul de sprijin a fost proiectat ignorand presiunea hidrostatica- Precipitatiile puternice au condus la cresterea nivelului apei in spatele zidului de sprijin din cauza

lipsei unui sistem de drenare- Greseli de executie, nerespectarea proiectului - Calitatea slaba a betonului se poate sa fi fost unul din factorii principali care au dus la colapsul

zidului- Desi exista proceduri de control al calitatii in Turcia acestea sunt de multe ori ignorate. De

exemplu dimensiunile din zona de conectare zid-fundatie sunt neadecvate conform TS EN 1998-5; s-a observat deasemenea armare transversala insuficienta in zona de conectare.

Rezultate numerice si discutii

Considerand caracteristicile geometrice ale zidului de sprijin si efectul pamantului din spatele lui, factorul de siguranta la rasturnare este 0.32 si factorul de siguranta la alunecare este 0.2. Pentru o proiectare corespunzatoare aceste valori ar trebui sa fie cel putin 2 respectiv 1.5. Analiza efectuata arata ca zidul de sprijin in cauza nu prezinta siguranta nici la momentele de rasturnare nici la fortele orizontale care produc alunecarea. Zidul a fost proiectat ignorand efectul presiunii hidrostatice. Precipitatiile puternice au condus la cresterea nivelului apei in spatele zidului din cauza lipsei unui sistem de drenare. Cresterea nivelului apei conduce la presiune hidrostatica care reduce efortul efectiv din pamant. Presiunea hidrostatica trebuie astfel adaugata ca forta laterala care actioneaza asupra zidului de sprijin. O scadere a efortului efectiv ar parea a fi un lucru bun din moment ce fortele laterale scad. Totusi, aceasta scadere a efortului efectiv nu compeneaza pentru presiunea hidrostatica, aceasta din urma fiind mult mai mare. Astfel, cedarea pare sa se fi produs din cauza unei cresteri a presiunii hidrostatice datorita precipitatiilor puternice.

Scopul zidului de sprijin a fost acela de a proteja insasi cladirea pe care a avariat-o. Cedarea lui a produs un risc foarte mare pentru viata oamenilor din acea cladire. Un colaps total al zidului ar fi provocat daune si mai mari.

Concluzii

In cele ce urmeaza sunt rezumate observatiile acestui studiu

1. Principalul motiv al cedarii a fost neluarea in considerare a presiunii hidrostatice in proiectarea zidului de sprijin.

2. Agregatul folosit nu a fost curat, betonul nu a fost intretinut dupa turnare, agregatul a fost pus in opera direct, fara a mai fi sortat. Betonul rezultat nu continea un agregat corespunzator ceea ce a condus la caracteristici slabe de aderenta.

3. Calitatea betonului folosit a fost slaba. Rezistenta la compresiune se situeaza intr-o gama larga de valori (10-14 MPa). Se pare ca unul din motivele acestui palier mare de valori este amestecarea manuala a betonului. Este clar specificat ca betonul folosit in categoriile 1 si 2 de zone seismice ar trebui sa fie de clasa C20 sau mai mare.

4. Procedurile de control al calitatii sunt ignorate.5. Din acest studiu pot fi invatate lectii importante in ceea ce priveste proiectarea si executia (nu

doar a zidurilor de sprijin ci a oricarei lucrari din beton armat). Sistemul structural neadecvat, materialele de proasta calitate si executie necorespunzatoare sunt principalele motive ale cedarii. Construirea unor structuri asemanatoare este posibila daca greselile prezentate mai sus sunt evitate. Acest lucru se poate realiza daca inginerii, arhitectii si contractantii cunosc principiile de proiectare si executie ale unui zid de sprijin. Deasemenea trebuie implementat un sistem de control in orice faza de turnare a betonului. In acest fel se va obtine un raspuns structural mult mai bun in cazul unor viitoare evenimente. Un sistem de control este necesar pentru a preveni catastrofe similare in viitor.