Practica proiectării şi a execuţiei infrastructurilor adânci în zone urbane din România a evidenţiat posibilităţile actuale ale proiectării geotehnice şi progresele tehnologiilor de execuţie, precum şi unele contradicţii faţă de prevederile normativului NP 120-06. În comunicare sunt prezentate rezultatele unor măsurători efectuate cu ocazia realizării unor asemenea infrastructuri care arată influenţa reală a execuţiei şi a exploatării noilor construcţii asupra clădirilor existente în vecinătate. Pe baza acestor date şi a calculelor efectuate la proiectare se prezintă posibilităţile de îmbunătăţire a reglementărilor tehnice în vigoare, privind influenţa incintelor şi a fundaţiilor asupra construcţiilor învecinate.

Extinderea realizării excavaţiilor adânci în zone dens construite

În ultimii ani, atât în România, cât şi pe plan mondial numărul şi dimensiunile incintelor adânci realizate pentru infrastructura construcţiilor a crescut în mod continuu.

Într-o lucrare, bazată pe prelucrarea informaţiilor culese din practica majorităţii ţărilor avansate [1] se arată că în deceniul 1991…2001 s-au realizat cu peste 50% mai multe excavaţii cu adâncimea D > 10 m decât în perioada 1976…1990.

În România, mai ales în Bucureşti şi în câteva oraşe mari, s-au executat în ultimii ani numeroase incinte cu adâncimi maxime de 18 m şi suprafeţe în plan de până la 10.000m². Se află în stadii avansate de proiectare incinte de cca. 50.000 m² (Şantierul “Dâmboviţa Center” – la care a început execuţia) şi adâncimi D ≤ 25 m.

Perfecţionarea metodelor de calcul şi a tehnologiilor de execuţie.  Extinderea monitorizării.

În faza de proiectare, calculul incintei şi al infrastructurii noii construcţii trebuie să asigure atât dimensionarea lucrării de susţinere propriu zise şi stabilitatea excavaţiei, cât şi determinarea influenţei execuţiei şi a încărcării construcţiei asupra terenului înconjurător (pe care se află clădiri, construcţii subterane, reţele de utilităţi etc.).

Dintre factorii cu influenţă majoră asupra terenului adiacent incintei adânci, trebuie subliniaţi următorii:

• variaţia nivelului hidrostatic (când se prevăd lucrări de epuisment sau când realizarea incintei etanşe modifică regimul apelor subterane în vecinătatea acesteia) ,
• execuţia pereţilor incintei (pereţi mulaţi, şiruri de piloţi secanţi sau cu interspaţii, alte tipuri de sprijiniri), a excavaţiei propriu zise şi a sistemului de susţinere (planşee de subsol – în procedeul „top – down”, şpraiţuiri, ancoraje etc.),
• încărcarea terenului cu sarcina noii construcţii.

Diferitele metode utilizate pentru calculul acestor componente ale influenţei, bazate pe ipoteze simplificatoare (pentru lucrări de mai mică anvergură şi importanţă) sau pe modele mai complexe, au fost prezentate de autori la Seminarul organizat de SRGF (Bucureşti, 9 martie 2007) şi la a XVII-a Conferinţă Naţională a AICPS (Bucureşti, 1 iunie 2007), precum şi în articolul publicat în Revista Construcţiilor [2].

Obţinerea unor date din măsurători realizate pe lucrări reale a permis „calibrarea” parametrilor introduşi în calcule şi evidenţierea ponderii factorilor care au o influenţă semnificativă asupra terenului adiacent [3].

În cele ce urmează se prezintă rezultatele monitorizării unor lucrări proiectate şi supravegheate de autori.

a) Efectul coborârii nivelului hidrostatic prin epuismente

În figura 1 se prezintă evoluţia timp de un an a tasărilor construcţiilor alăturate excavaţiei pentru infrastructura clădirii Bucharest Tower Center (fostă Industrialexport). Prin pompare din puţuri de adâncime amplasate în interiorul incintei de pereţi mulaţi şi din puţuri exterioare acesteia s-a menţinut o denivelare de cca. 15 m în interior şi de aproximativ 5 m în exterior.

Deşi nu a fost posibilă monitorizarea lucrării pe toată perioada pompărilor, s-au măsurat valori semnificative ale tasărilor la construcţii situate la distanţe de 10…20 m de la limita incintei.

b) Efectul execuţiei pereţilor mulaţi şi a excavaţiei în incinta rigidizată cu planşee executate pe măsura excavării (prin procedeul „top – down”)

În figura 2 se arată deplasările orizontale ale peretelui mulat (măsurate cu inclinometrul) şi tasările terenului adiacent şi ale construcţiilor învecinate, pentru faza finală de excavare (la adâncimea de 15 m) a incintei pentru clădirea Cathedral Plaza Building din Bucureşti.

Se remarcă deplasările reduse ale peretelui: d_max = 5 mm şi tasările suprafeţei terenului şi ale construcţiilor învecinate (fundate la adâncimi de 1,5…2 m) care nu depăşesc s =2 ,7 mm în imediata apropiere a incintei şi devin insesizabile la distanţe mai mari de 20 m.

c) Efectul încărcării fundaţiei de adâncime a unei construcţii înalte

Figura 3 arată rezultatele măsurătorilor de tasare a unei clădiri existente (P+4E în cadre de beton armat), situată în imediata vecinătate a construcţiei realizate în Piaţa Charles de Gaulle din Bucureşti.

În faza de excavare până la adâncimea maximă de 16,35 m, deplasările orizontale ale peretelui mulat au înregistrat valori maxime de 12 mm, iar tasările clădirii învecinate au fost de 2…3 mm. După realizarea integrală a noii construcţii (cu 5 subsoluri, parter şi 17 etaje), fundate pe un „radier pilotat”, clădirea învecinată a suferit un spor de tasare cuprins între 3,2 şi 10 mm. Se precizează că pe structura de rezistenţă a noii clădiri (stâlpi metalici şi pereţi contravântuiţi)
s-au măsurat, după un an de exploatare, tasări cuprinse între 15,6 mm şi 37,4 mm.

Din exemplele arătate rezultă că influenţa realizării unei construcţii noi asupra celor învecinate, materializată prin tasările suplimentare induse în acestea, depinde atât de adâncimea de fundare a noii structuri (care dictează adâncimea excavaţiei şi – eventual – realizarea epuismentelor), cât şi de încărcarea transmisă terenului de fundare.

În situaţia în care execuţia pereţilor de incintă se realizează cu o tehnologie adecvată (cu panouri de lungime mică, prin procedeul piloţilor secanţi) şi se asigură o susţinere rigidă a acestora (prin procedeul top – down, cu ancoraje pretensionate sau şpraiţuri precomprimate), deformaţiile orizontale în masivul de pământ sunt reduse şi tasările terenului adiacent (în care sunt fundate clădirile existente) vor fi mici. Dacă se asigură şi un procedeu de execuţie fără coborârea nivelului hidrostatic în afara incintei, efectul principal al realizării noii construcţii asupra vecinătăţilor este datorat încărcării transmise terenului şi tasării pe care o va suferi noua structură.

Particularităţile clădirilor existente în vecinătatea noii construcţii

Este evident că modul de comportare al clădirilor existente datorat influenţei noii construcţii depinde în mare măsură de conformarea şi de starea în care se află acestea în prezent, atât din punct de vedere al integrităţii structurale cât şi a calităţii materialelor care le alcătuiesc.

Se constată că, în majoritatea cazurilor, clădirile „vechi” nu au fost adaptate în mod special pentru a prelua tasări (mai ales diferenţiate) mari, dar au avut o comportare bună în timp, în perioadele în care nu au intervenit seisme majore. Observaţiile efectuate în toată ţara au arătat că în majoritatea ariilor orăşeneşti, cu excepţia zonelor cu pământuri sensibile la umezire şi a unor amplasamente cu aluviuni recente slab consolidate, construcţiile de tip curent (chiar cu regim de înălţime P + 8…P + 10) au suferit tasări reduse şi foarte uniforme. Trebuie, de asemenea, remarcat că pentru majoritatea amplasamentelor (constituite din formaţiuni coezive nesaturate sau straturi necoezive) tasările construcţiilor s-au consumat în proporţie de minim 70…80% in faza de execuţie a structurii. Prin urmare aceste tasări au cauzat deformaţii în structuri cu rigiditate redusă (aflate în curs de monolitizare,  în care materialele constituente: betoane, mortare, nu şi-au încheiat ciclul de întărire).

Se poate conchide, că în majoritatea structurilor existente, eforturile remanente cauzate de tasările „proprii” sunt reduse şi aceste construcţii ar trebui să-şi păstreze capacitatea iniţială de a prelua noi tasări, provocate de execuţia ulterioară a unei construcţii în vecinătate.

Se conturează, astfel, ideea că pentru unele clădiri existente, care nu au suferit degradări structurale în urma seismelor majore, iar materialele care le alcătuiesc nu s-au degradat în timp, se pot aplica criteriile pentru tasări (deplasări şi deformaţii) recomandate pentru clădiri noi, în normele tehnice (STAS 3300/2-85, SR EN 1997-1: 2006).

Prevederi privind influenţa construcţiilor învecinate, conţinute în reglementări tehnice actuale

a) Vechiul sistem de standarde (STAS) în domeniul proiectării fundaţiilor cuprinde puţine prevederi privind evaluarea influenţei reciproce, prin intermediul terenului de fundare, a construcţiilor învecinate [4, 5].

STAS 3300/2-85 recomandă o metodă de calcul a tasării suprafeţei terenului, într-un punct situat la o anumită distanţă de fundaţia încărcată. Nu există, însă, prevederi de calcul pentru fundaţii directe, amplasate în adâncimea masivului de pământ (în excavaţii adânci).

Seria de standarde STAS 2561-90, referitoare la proiectarea fundaţiilor pe piloţi nu conţine prevederi privind evaluarea prin calcul a tasării terenului situat la o distanţă de fundaţia pe piloţi.

În privinţa tasărilor admisibile, STAS 3300/2-85 recomandă „valori orientative ale deplasărilor sau deformaţiilor admise pentru construcţii neadaptate în mod special la tasări”.

b) Standardul român SREN 1997-1: 2006 [6] care preia norma europeană Eurocod 7 – Partea 1, conţine doar prevederi generale privind calculul tasării „proprii” a fundaţiei încărcate (de suprafaţă sau pe piloţi).

În privinţa tasărilor, standardul european recomandă valori „acceptabile” pentru construcţiile obişnuite, ceva mai restrictive decât cele din STAS 3300/2-85, aducând şi unele precizări suplimentare.

Problema, foarte importantă, a „tasărilor admisibile” este detaliată în capitolul 2 al prezentei comunicări.

c) „Normativul privind cerinţele de proiectare şi execuţie a excavaţiilor adânci”, indicativ NP 120-06 are meritul de a evidenţia faptul că realizarea acestor lucrări este asociată cu un factor de risc (ca, de altfel, orice lucrare de construcţii) şi că proiectantului şi executantului le revine sarcina de a reduce la minimum posibil acest risc tehnic [7].

Din păcate normativul, valabil pentru excavaţii mai adânci de 3 metri, preia în mod inadecvat din normativul NP 074/2002 (privind cercetarea geotehnică a terenului de fundare) noţiunea de „zonă de influenţă a excavaţiei adânci”. Se omite faptul că influenţa unei construcţii asupra terenului de fundare se resimte, teoretic, până la o distanţă infinită, iar zona de influenţă semnificativă trebuie extinsă doar în limitele unui volum din terenul de fundare în care realizarea incintei şi a noii construcţii produc modificări semnificative ale stării de eforturi şi de deformaţii care pot influenţa în mod semnificativ construcţiile existente în vecinătate. În consecinţă, prevederea din NP 120-06 conform căreia, în cazul în care zona de influenţă a excavaţiei se extinde în afara limitei de proprietate a noii construcţii, devine „obligatorie obţinerea acordului în forma notarială şi liber consimţit dat de către proprietarul fondului construit cu care se învecinează construcţia” devine o piedică de natură administrativ-juridică în realizarea construcţiilor noi pe terenuri mărginite de clădiri existente.

Într-adevăr obligativitatea obţinerii „acordului în formă notarială” a proprietarului unei clădiri existente blochează de multe ori o investiţie, cu toate că proiectantul – asumându-şi întreaga răspundere – poate demonstra cu metode de calcul omologate, susţinute de programul de măsurători a evoluţiei reale a acestor clădiri, că se asigură condiţiile de stabilitate şi exploatare normală a acesteia.

Cauzele refuzului de a da acest acord pot fi multiple: teamă (necunoaşterea exactă a situaţiei), rea voinţă sau, chiar, încercări de extorcare.

Caracterul nerealist al acestei prevederi din normativ apare clar în exemplul ilustrat în figura 4 şi descris în cele ce urmează.

Se prezintă cazul unui bloc – turn (P + 15E) amplasat în imediata vecinătate a unei clădiri existente din zidărie portantă, cu demisol, parter şi un etaj, cu fundaţii continue şi adâncimea de fundare D_f = 2,50 m, în condiţii de stratificaţie tipice pentru oraşul Bucureşti.

În varianta „a” de realizare a clădirii – turn cu un singur subsol (demisol) şi fundare directă pe radier la D_f = 2,50 m, tasarea calculată a radierului noii construcţii rezultă de 82 mm, iar tasarea suplimentară indusă în clădirea alăturată va fi de 68 mm pe calcanul alăturat turnului şi 8 mm pe latura opusă, cu o convexitate pronunţată în sus (aspect de „şa”).

Acelaşi bloc turn, prevăzut cu 5 subsoluri şi fundat direct pe radier general la D_f = 17,50 m (varianta „b”), va avea o tasare medie s_m = 42 mm şi va induce în structura alăturată tasări s = 29 mm (la calcan), respectiv s = 5 mm (pe latura opusă).

În varianta „c” de fundare a blocului 5S+P+15E pe un radier pilotat, tasarea medie se reduce la s_m = 21 mm iar tasările suplimentare ale clădirii vechi la s = 15 mm, respectiv s = 4 mm (o situaţie asemănătoare, cu măsurători efective de tasare este prezentată şi în figura 3).

În acelaşi timp, pentru cazurile „b” şi mai ales „c”, în care atât tasările absolute cât şi cele diferenţiate ale clădirii existente se încadrează în limitele acceptate în toate normele tehnice, este necesară – conform NP – obţinerea acordului, deoarece noua construcţie se va realiza într-o excavaţie mai adâncă de 3 m.

Desigur, în toate situaţiile prezentate mai sus nu trebuie ignorate problemele create de influenţa noii construcţii asupra celei existente, dar ele trebuie tratate în toate cazurile de specialişti (proiectanţi, consultanţi – structurişti) care să-şi asume responsabilitatea soluţiei structurale şi a tehnologiilor de execuţie alese , astfel încât să se asigure un „risc tehnic minim” cerut de reglementările tehnice.

Numai în cazul în care este necesară o intervenţie directă pe clădirea existentă, este normal să se ceară acordul proprietarului acesteia.

Tipuri de deformaţii şi deplasări induse. Valori limită recomandate în reglementări tehnice.

Tasările care se dezvoltă în terenul adiacent incintelor adânci si modificările în starea de eforturi şi de deformaţii a construcţiilor amplasate în apropiere trebuie evaluate în cadrul fazelor de proiectare a noilor construcţii.

Normele tehnice conţin indicaţii privind valorile limită ale deplasărilor şi deformaţiilor apărute în structuri în urma tasării terenului de fundare, bazate – în special – pe experienţa acumulată. Desigur, o rezolvare riguroasă prin calcul a acestei probleme este extrem de dificilă, fiind necesară atât considerarea conlucrării teren – structură, cât şi o analiză detaliată a modificării rigidităţii construcţiei în funcţie de evoluţia tasărilor suplimentare induse.

Aşa cum s-a arătat în subcapitolul 1.3 al prezentei lucrări, pentru majoritatea clădirilor existente în zonele dens construite din ţară, tasările s-au consumat fără a crea eforturi remanente importante în elementele structurale. Drept urmare valorile tasărilor admise în norme pot fi preluate şi pentru asemenea construcţii, evident, cu discernământ şi prin reducerea valorilor prescrise, pentru păstrarea unei rezerve de siguranţă.

Vechiul standard STAS 3300/2-85 indică mai multe tipuri de deplasări şi deformaţii caracteristice şi recomandă valori admisibile „pentru construcţii neadaptate în mod special la tasări”. Cele mai semnificative valori de referinţă sunt (figura 5):

• pentru construcţii în cadre din beton armat, cu umplutură de zidărie:
  • tasarea maximă, s_max = 8…12 cm;
  • tasarea relativă, Ds_max/_L = 0,001;
• pentru construcţii pe zidărie portantă:
  • tasarea maximă, s_max = 10…12 cm;
  • încovoierea relativă, i = D_max/_L:
    • pentru zidărie nearmată, i = 0,001;
    • pentru zidărie armată sau cu centuri, i = 0,0012.

Norma Eurocod 7 – Partea 1, preluată prin standardul român SR EN 1997-1: 2006 defineşte, în afara deformaţiilor şi deplasărilor din STAS 3300/2-85, „rotirea relativă” b_max, pentru care recomandă următoarele valori limită (figura 6.a):

• pentru starea limită de exploatare, b_max = 1/500…1/300;
• pentru starea limită ultimă, b_max = 1/150.

De asemenea norma europeană prevede că tasarea maximă s_max = 50 mm poate fi depăşită la multe categorii de structuri, dacă valorile b_max nu depăşesc limitele indicate mai sus pentru starea limită de exploatare.

În acelaşi timp în SR EN 1997-1 se atrage atenţia asupra unui aspect important, netratat in vechile standarde. Astfel, se precizează că valorile limită ale deformaţiilor prezentate anterior (D_max/_L, i, b_max) trebuie diminuate, până la 50%, în cazul deformaţiilor în formă de „şa” (figura 6,b).

Posibilităţi de modelare prin calcul a comportării construcţiilor situate în zona de influenţă

Metodele actuale de calcul permit determinarea stării de eforturi în structuri cărora li se impune o deformaţie dată, cauzată de tasările suplimentare induse în teren de construcţia învecinată. Cu toate dificultăţile legate de cunoaşterea stării de eforturi preexistente în structura veche şi a rigidităţii actuale a acesteia, se pot formula ipoteze simplificatoare care să conducă la un calcul acoperitor (a se vedea şi subcapitolul 1.3).

Astfel, evaluând caracteristicile actuale ale materialelor componente (rezistenţa şi deformabilitatea zidăriei, a betonului utilizat în structură etc.) si impunând o deformaţie structurii existente, egală cu tasarea indusă în teren de noua construcţie (neglijând, deci, rigiditatea proprie a clădirii vechi), rezultă, într-o primă aproximaţie, starea de eforturi în structura deformată şi se evidenţiază eventualele zone în care este depăşită rezistenţa de calcul. În cazul în care ponderea acestor zone este redusă şi ele nu se concentrează în elementele structurale care pot provoca pierderea stabilităţii, se poate conchide că influenţa tasărilor induse nu va fi semnificativă pentru structura respectivă.

O a doua iteraţie de calcul se poate face, în cazul unor construcţii complexe, prin reducerea rigidităţii structurii vechi din cauza apariţiei zonelor în care se depăşeşte rezistenţa de calcul a materialului; în această situaţie eforturile din structură se vor reduce în raport cu cele rezultate din prima iteraţie.

În exemplul din figura 7 se prezintă rezultatele calculelor efectuate prin metoda elementului finit, pentru o clădire pe zidărie portantă tipică începutului secolului XX (zidărie simplă de cărămidă, cu mortar M10, fundaţii continue din beton simplu C8/10, planşee de lemn) cu parter şi două etaje şi lungimea de L = 25m.

Impunând o încovoiere relativă i = D_max/_L = 0,001, cu tasarea maximă în centru (deformaţie în formă de „covată”), rezultă că zonele cu depăşirea rezistenţei la întindere în zidărie (s > R_t) reprezintă sub 15% din suprafaţa zidului portant şi se concentrează în apropierea golurilor.

În schimb, în cazul aceleiaşi încovoieri relative (i = 0,001), dar cu tasări maxime la capetele clădirii (deformaţie în „şa”), zonele cu s > R_t se apropie de 70% din suprafaţa zidurilor portante.

Experienţa pozitivă câştigată în ultimul deceniu în proiectare şi execuţia infrastructurilor în incinte adânci şi de mari dimensiuni, coroborată cu observaţii de lungă durată asupra construcţiilor realizate, probează capacitatea specialiştilor în domeniu de a realiza asemenea lucrări la un nivel de risc minim (risc existent în orice domeniu al activităţii de construcţii).

Metodele actuale de calcul permit evaluarea, într-un domeniu de siguranţă corespunzător, a influenţei execuţiei excavaţiilor în incinte adânci şi a efectului încărcării suplimentare transmise la teren de noile construcţii.

Foarte importantă pentru mărimea şi neuniformitatea tasărilor induse în terenul adiacent excavaţiei este modalitatea de execuţie a pereţilor de susţinere şi rigiditatea acestora. În consecinţă, este necesară în acest domeniu utilizarea cu precădere a procedeelor care asigură un risc minim în faza de execuţie (pereţi mulaţi realizaţi din panouri de lungime mică, pereţi din piloţi secanţi foraţi în sistem tubat), iar sistemele de susţinere trebuie să permită un control clar al stării de eforturi şi de deformaţii în perete (sistemul top – down, ancoraje pretensionate, şpraiţuri precomprimate în mod controlat).

Deşi foarte complexă, presupunând cunoaşterea aprofundată a stării actuale şi a caracteristicilor construcţiilor existente, problema evaluării prin calcul a comportării acestora sub efectul deformaţiilor provocate de noua structură poate fi rezolvată şi pe baza unor metode simplificate, acoperitoare şi accesibile proiectării curente. Drept valori acceptabile ale tasărilor suplimentare provocate pot fi considerate, în majoritatea cazurilor, cele recomandate în normele tehnice actuale, reduse – eventual – cu 25…50% pentru sporirea nivelului de siguranţă. Desigur, trebuie tratate cu discernământ situaţiile în care clădirile existente se află într-o stare avansată de degradare (uneori chiar la limita de rezistenţa şi stabilitate), când trebuie definite cu claritate şi obligaţiile posesorilor acestora, pentru a se asigura dreptul proprietarilor terenurilor învecinate  de a construi.

Toate cele expuse anterior pledează pentru necesitatea îmbunătăţirii reglementărilor tehnice actuale – şi în special a normativului NP 120-06 – pentru a se crea un cadru legal adecvat realizării optime din punct de vedere economic şi corespunzător în privinţa nivelului de siguranţă a problemei execuţiei noilor construcţii în condiţiile urbane actuale.

• Moormann, Ch.: „Actual trends in deep excavation technology and performance based on international database” – Proc. of XIII European Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, vol.2, Prague, 2003.

• Marcu, A., Popa, H., Marcu, D., Coman, M., Vasilescu, A., Manole, D.: „Impactul realizării construcţiilor în excavaţii adânci asupra clădirilor existente în vecinătate” – Revista CONSTRUCŢIILOR Nr.34 şi 35/2008.

• Marcu, A., Popa, H., Borşaru, I., Dumitrescu, F.: „Calcule şi măsurători de deformaţii şi de deplasări la o incintă adâncă din pereţi mulaţi şi la construcţiile învecinate” – Lucrările celei de-a X-a Conf. Naţionale de Geotehnică şi Fundaţii, vol.2, Bucureşti, 2004.

• STAS 3300/0-85: „Teren de fundare. Calculul terenului de fundare în cazul fundării directe”.

• STAS 2561/3-90: „Teren de fundare. Piloţi. Prescripţii generale de proiectare”.

• SREN 1997-1: 2006: „Eurocod 7: Proiectarea geotehnică. Partea 1: Reguli generale”.

• NP 120-06: „Normativ privind cerinţele de proiectare şi de execuţie a excavaţiilor adânci în zone urbane”.