Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare în Construcţii, Urbanism, şi Dezvoltare Teritorială Durabilă URBAN-INCERC

Lucrările Conferinţei de Cercetare în Construcţii,

Economia Construcţiilor, Urbanism, Amenajarea Teritoriului

Pagin

a 3

3

CO

NS

TR

UC

ŢII,

AR

HIT

EC

TU

RA

, U

RB

AN

ISM

CONCEPTUL DE REZILIENȚĂ SEISMICĂ ÎN

DOMENIUL CONSTRUCȚIILOR

Aurelia BRADU INCD URBAN INCERC, Sucursala Iași

Constantin MIRON

INCD URBAN INCERC, Sucursala Iași

Adrian Alexandru CIOBANU

INCD URBAN INCERC, Sucursala Iași

Monica CHERECHEȘ

INCD URBAN INCERC, Sucursala Iași

Alina COBZARU

INCD URBAN INCERC, Sucursala Iași

Abstract

The devastating impact of earthquakes on human

lives, on the built environment and society has

stimulate over time the development of various

ways and concepts to approach this phenomenon.

The recovery of affected areas, especially those

which are not adequately trained to deal with

natural hazards, involves high costs and long

periods of time. These circumstances have

contributed to changing of the worldwide seismic

risk conceptualisation, introducing the "seismic

resilience", aiming to minimize human and

material losses and ensuring the ability to re-

establish the normal operation process after

earthquake. Quantification of the idea of resilience

in seismic engineering and the definition of the first

features took place only at the beginning of the

21st century. The implementation of this concept

in countries subject to seismic risk, has experienced

various stages and strategies depending on the

degree of economic development of the affected

areas. The devastating earthquakes that occur

across the globe consistently highlight errors in

assessing seismic hazard and the vulnerability of

structures, regardless of their nature, whether

design, execution, or approaching. The incapability

to ensure the sequence of the current activities on

affected areas generates excessive remediation

costs to set the systems to their “normal” level of

functional performance. This aspect is more

pronounced as the industry is more industrialized.

The new global economic trend contributes to

increasing urban clutter, promoting the impact of

natural disasters to alarming level. A viable

solution, intended to minimize the damage

sustained by civil society and to ensure the ability

to recover quickly after shock, is the creation of

resilient cities. Unfortunately, lessons learned from

the earthquakes produced and delays in the

implementation of appropriate measures continue

to generate human and colossal losses, especially

for industrialized centers.

Key words. seismic resilience, earthquakes,

damage, recover.

1. Context

Odată cu dezvoltarea societății omenești și extinderea arealului necesar desfășurării activităților curente, problema interferenței cu fenomenele naturale devine din ce în ce mai stridentă. Impactul devastator provocat de cutremure asupra vieților omenești, mediului construit și a societății, a impulsionat de-a lungul timpului dezvoltarea diverselor moduri și concepte de abordare a acestui fenomen. Sporirea gradului de expunere la pericolele naturale a fost determinată, în mare măsură, de creșterea populației și de tendința migrării în zonele urbane - motoare ale creșterii economice, ca urmare a conformării cu cerințele pieței muncii. Conform statisticilor publicate, la începutul anilor 90 ai secolului trecut, la nivel global, populația urbană reprezenta 43% (2,3 miliarde) din numărul total al locuitorilor, acest parametru atingând valoare de 54% în 2014, iar conform unor estimări, în 2050 se prevede un nivel de urbanizare de 70%

Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare în Construcţii, Urbanism, şi Dezvoltare Teritorială Durabilă URBAN-INCERC

Lucrările Conferinţei de Cercetare în Construcţii,

Economia Construcţiilor, Urbanism, Amenajarea Teritoriului

Pagin

a 3

4

CO

NS

TR

UC

ŢII,

AR

HIT

EC

TU

RA

, U

RB

AN

ISM

(Albrito, 2012). Creșterea populației urbane poartă un caracter neuniform pe întregul mapamond, fiind direct proporțional cu gradul de dezvoltare economic, ceea ce implică niveluri diferite de vulnerabilitate a comunităților supuse calamităților naturale. Pe măsură ce aglomerația urbană cunoaște o evoluție continuă, rata de extindere a suprafețelor orașelor prezintă creștere esențială. Conform unui studiu realizat în perioada 1990 - 2000, pe un eșantion global de 120 de orașe, a rezultat că în mediu, la un spor de 17 % a populației, revine o extindere a zonei construite cu 28% (Chamindi et al., 2014). Conform prognozelor, până în 2030, populația urbană a țărilor în curs de dezvoltare se va dubla, în timp ce zona acoperită de acestea se va tripla (Pelletier, 2015). Extinderea procesului de urbanizare, în special în zonele cu hazard seismic crescut, asociată premiselor de prosperare a megapolisurilor, creează un șir de provocări multidimensionale datorită creșterii densității populației, concentrării resurselor și a infrastructurii.

În cele mai frecvente cazuri, pagubele înregistrate inițial după producerea cutremurelor în apropierea aglomerațiilor urbane, sunt amplificate de dezastrele post seism, ca urmare a efectelor generate de tsunami, incendii, alunecări de teren, epidemii etc. Recuperarea zonelor afectate, îndeosebi celor ce nu dispun de o pregătire corespunzătoare de a face față hazardelor naturale, implică costuri ridicate și perioade de timp îndelungate. Acești factori au contribuit la schimbarea modului de abordare a riscului seismic la nivel mondial, fiind introdus conceptul de „reziliență seismică”, având drept obiectiv minimizarea pierderilor omenești și materiale și asigurarea capacitatea de a reintra in proces normal de funcționare dupa seism.

2. Dezvoltarea conceptului

Inițial, conceptul de „reziliență” a fost introdus în studiile din domeniul ecologiei,

fiind ulterior preluat și adaptat în numeroase alte domenii. Cuantificarea ideii de reziliență în ingineria seismică și definirea primelor caracteristici a avut loc abia la începutul secolului XXI. Implementarea acestui concept în țările supuse riscului seismic, a cunoscut diverse etape și strategii funcție de gradul de dezvoltare economică a zonelor afectate. Noțiunea de „reziliență” poate fi definită prin două categorii; prima ține cont de tot ce implică etapa imediat post-seism și reflectă necesarul de timp pentru recuperare, atingerea nivelului inițial de funcționalitate al sistemului (Longstaff et al., 2010). Cea de-a doua categorie analizează atât faza de emergență post-eveniment, cât și cea premergătoare acesteia. Elaborarea unui program de creștere a rezilienței seismice în zonele de interes, este bazată pe respectarea următoarelor principii: robustețea sistemului supus acțiunii seismice, - proprietatea de a suferi deteriorări admisibile, fără să pericliteze funcționalitatea; redundanța sistemului – capacitatea de a face posibilă înlocuirea componentelor sistemului fără a întrerupe funcționalitatea; ingeniozitatea - abilitatea de a identifica și de a utiliza, în mod eficient, resursele disponibile, materiale sau umane și rapiditatea descrisă de capacitatea de a atinge obiectivele propuse, într-un interval de timp redus (Cimellaro et al., 2006). Reziliența seismică este caracterizată de trei aspecte fundamentale: tehnic, social și economic. Aspectul tehnic evidențiază capacitatea structurilor de a prelua forța seismică, degradările înregistrate fiind încadrate în limite admisibile. Aspectul social ține cont de managementul situațiilor de urgență post-seism, specificând măsurile întreprinse în cadrul societății, în diferite organizații, respectiv administrații publice, cu scopul de a limita impactul negativ asupra populației. Aspectul economic are drept obiectiv abilitatea de a reduce pierderile economice, provocate de impactul seismului, prin implementarea unor măsuri pre și post-seism.

Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare în Construcţii, Urbanism, şi Dezvoltare Teritorială Durabilă URBAN-INCERC

Lucrările Conferinţei de Cercetare în Construcţii,

Economia Construcţiilor, Urbanism, Amenajarea Teritoriului

Pagin

a 3

5

CO

NS

TR

UC

ŢII,

AR

HIT

EC

TU

RA

, U

RB

AN

ISM

Fig. 1.Conceptul de reziliență (Mironescu et al., 2018).

Fig. 2.Piața Durban după seism, Kathmandu, Nepal (Searle, 2018).

3. Implementarea rezilienței seismice în domeniul construcțiilor

Cutremurele devastatoare care au loc pe întregul mapamond, evidențiază în mod constant erorile comise în aprecierea hazardului seismic și a gradului de vulnerabilitate a structurilor, indiferent de natura lor, fie că sunt de proiectare, execuție sau abordare. Incapacitatea de a asigura o continuitate a activităților curente ale unei zone afectare de seism, generează costuri exagerate de remediere și revenire la regimul funcționare inițial. Acest aspect fiind tot mai pronunțat cu cât este mai industrializată zona respectivă.

Intensitatea cutremurului nu ține cont de nivelul de pregătire a societății, de performanța codurilor de proiectare sau a tehnologiilor de construcție. Nepalul, care este amplasat la sud de lanțul muntos Himalaya, la intersecția din plăcile tectonice Eurasia și Indiană, ca urmare a problemelor politice și economice cu care s-a confruntat țara în ultimele decade, a neglijat riscul seismic al zonei (Stojadinovic et al., 2016). Natura însă are propriile reguli, care nu țin cont de legislația unei societăți, iar ceea ce era inevitabil, s-a produs în 2015 – cutremur cu magnitudinea 7,8 Mw, fiind cel mai puternic seism înregistrat din 1934, urmat de mai multe replici, cu epicentru situat la 77 km

Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare în Construcţii, Urbanism, şi Dezvoltare Teritorială Durabilă URBAN-INCERC

Lucrările Conferinţei de Cercetare în Construcţii,

Economia Construcţiilor, Urbanism, Amenajarea Teritoriului

Pagin

a 3

6

CO

NS

TR

UC

ŢII,

AR

HIT

EC

TU

RA

, U

RB

AN

ISM

nord-vest de capitala Kathmandu. Potrivit datelor oficiale, aproximativ 9000 de oameni și-au pierdut viața, peste 500 000 case distruse sau grav avariate, monumente ce aparțin patrimoniului UNESCO distruse (fig.2), și peste 2,4 milioane de oameni au fost evacuați. Pagubele economice au fost estimate peste 5 miliarde de dolari (Wales, 2015). Conform datelor publicate de profesorul Roger Bilham, falia care se întinde pe 120 km, a alunecat cu trei metri de-a lungul zonei de ruptură, mutând astfel orașul Kathmandu spre sud cu trei metri (Achenbach, 2015). În februarie 2017, 14 000 de case au fost reconstruite și circa 30 000 de case erau în proces de execuție, ceea ce reprezintă mai puțin de o zecime din numărul total de locuințe distruse. Abia după dezastrul provocat de marele seism, când autoritățile locale nu aveau cum să facă față, a fost inițiată o campanie de ajutor la nivel internațional, fiind dispuse atât măsuri de remediere a consecințelor, cât și de cercetare a premiselor calamității. Astfel, în primul rând au fost supuse revizuirii codurile de proiectare, impunerea mecanismului de cedare ductilă a structurilor. Reconstrucția Nepalului, urmează să fie corelată cu exigențele esențiale ale structurilor amplasate în zonele seismice, conform programului inițiat „Build Back Better”, fiind aplicate totodată primele etape pentru crearea orașelor reziliente (Pokharel şi Goldsworthy, 2015). Spre deosebire de Nepal, Chile a manifestat o abordare constructivă. Cutremurul devastator, cu magnitudinea 9,4 grade, produs în 1960, a stimulat efectuarea studiilor de specialitate pentru conformarea proiectării seismică cu condițiile locale, iar reglementările normative au fost implementate fără ezitare de către antreprenorii imobiliari (Georgescu, 2017).

Astfel, cutremurul cu magnitudinea 8,8 grade produs în 2010 (Fig.3) a demonstrat eficiența metodei abordate. Din cele 370.000 de locuințe afectate de cutremur, aproape jumătate au suferit doar daune minore și doar 22% au fost distruse, provocând totodată circa 500 de victime omenești. În cazul în care clădirile comerciale au fost proiectate cu ajutorul inginerilor constructori, doar cinci au fost distruse, potrivit studiului geologic american. Un alt exemplu, ar fi cutremurul din 11 martie 2011 cu o magnitudine de 9,0 Mw, din Japonia, pierderile economice estimate atingând valoarea de cca 235 miliarde de dolari americani. Deși, a fost urmat de mai multe replici, efectul devastator a fost amplificat de tsunami-ul declanșat, înălțimea valului atingând 40 m. Chiar dacă coasta de est a reușit într-o oarecare măsură să atenueze impactul, urmările au fost dezastruoase. Totodată, trebuie menționat faptul că un număr impunător de persoane au reușit să se salveze datorită educației preventive furnizată în mod regulat, fenomenul fiind cunoscut sub denumirea de "Miracolul din Kamaishi" (Wales, 2019). În continuare sunt prezentate câteva din elementele de bază care contribuie la dezvoltarea rezilienței Japoniei în confruntarea cu cele peste 1000 de cutremure înregistrate anual:

• Un sistem ultra-performant de avertizare timpurie a cutremurelor, conectat la mijloacele de avertizare publică (telefoanelor mobile; posturile de televiziune și de radio etc.), cu mijloace tehnologice de protecție (sistemele care frânează trenurile de mare viteză în câteva secunde, care opresc alimentarea anumitor instalații industriale etc.) și cu mijloace de comunicare (linii alternative de telefonie, etc.);

• Tehnologii de construcție inovatoare, adaptate hazardului seismic, coduri de proiectare dure; o aplicare riguroasă a normelor în domeniu;

Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare în Construcţii, Urbanism, şi Dezvoltare Teritorială Durabilă URBAN-INCERC

Lucrările Conferinţei de Cercetare în Construcţii,

Economia Construcţiilor, Urbanism, Amenajarea Teritoriului

Pagin

a 3

7

CO

NS

TR

UC

ŢII,

AR

HIT

EC

TU

RA

, U

RB

AN

ISM

Fig. 3.Clădiri avariate de seismul din 2010, Chile (Wales, 2014).

Fig. 4.Etape necesare asigurării rezilienței (Omura, 2013).

• Aplicarea soluțiilor noi pentru îmbunătățirea rezistenței la cutremur a structurilor – ca urmare a parteneriatului publico-privat (administrațiile publice locale/naționale susțin cercetarea, iar implementarea măsurilor la nivel instituțional imperativă);

• Programul permanent de „educare pentru cutremur”, începe de la vârsta școlară și

continuă pe tot parcursul vieții, prin intermediul locului de muncă sau a comunității locale.

Conform programului de asigurare rezilienței naționale din Japonia, trebuie parcurse câteva etape elementare, indicate în Fig. 4. Stabilirea unor obiectivelor specifice conduce la identificarea și analiza riscurilor majore.

Identificarea și analiza riscului

Identificarea obiectivelor vulnerabile

Evaluarea obiectivelor vulnerabile și

stabilirea măsurilor de prevenire

Prioritizarea măsurilor de prevenire și

implementarea lor

Evaluarea rezultatelor

Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare în Construcţii, Urbanism, şi Dezvoltare Teritorială Durabilă URBAN-INCERC

Lucrările Conferinţei de Cercetare în Construcţii,

Economia Construcţiilor, Urbanism, Amenajarea Teritoriului

Pagin

a 3

8

CO

NS

TR

UC

ŢII,

AR

HIT

EC

TU

RA

, U

RB

AN

ISM

Fig. 5.Efectele calamităților naturale asupra orașului Minami Sanriku, Japonia (Omura, 2013).

Fig. 6.Beneficiile rezilienței seismice (Sahabi et al., 2018).

Analiza scenariilor posibile și a consecințelor implicite, va avea drept scop identificarea obiectivelor vulnerabile. Evaluarea punctelor slabe, permite stabilirea unui plan de măsuri de prevenire și prioritizarea acestora. O astfel de abordare permite efectuarea unui studiu minuțios a situațiilor de management în cazul dezastrelor naturale. Cercetătorii de la Caltech, S.U.A, au stabilit recent că pentru fiecare dolar investit în modernizarea structurilor cu etaje flexibile, proprietarii imobilelor pot economisi până la șapte dolari, fără a considera pagubele produse de distrugerea dotărilor interioare, cheltuielile alternative de trai sau vătămarea corporală. Beneficiile rezilienței seismice sunt schematizate în Fig.6.

Casa Albă a inclus în Strategia sa de securitate națională din decembrie 2017, promovarea rezilienței naționale împotriva dezastrelor naturale. Consiliul Național pentru Știință și Tehnologie, a identificat drept prioritate analiza și evaluarea impactului asupra societății a calamităților natural. Între timp, în California a fost adoptată o legislație importantă inspirată de Inițiativa Rezilienței Seismice (Seismic Resilience Initiative - SRI) care promovează identificarea clădirilor vulnerabile din cadrul comunității și prevederea măsurilor necesare de prevenire a riscurilor în timpul unui cutremur major. Legislația include (Sahabi et al., 2018):

• Criterii pentru identificarea tipurilor de clădiri vulnerabile din punct de vedere seismic.

Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare în Construcţii, Urbanism, şi Dezvoltare Teritorială Durabilă URBAN-INCERC

Lucrările Conferinţei de Cercetare în Construcţii,

Economia Construcţiilor, Urbanism, Amenajarea Teritoriului

Pagin

a 3

9

CO

NS

TR

UC

ŢII,

AR

HIT

EC

TU

RA

, U

RB

AN

ISM

• Delegarea departamentelor de construcții să elaboreze o listă inițială de clădiri potențial vulnerabile.

• Notificarea proprietarilor de imobile potențial vulnerabile.

• Direcționarea proprietarilor notificați pentru a evalua gradul de vulnerabilitate a structurii.

• Realizarea și întreținerea unei baze de date referitoare la clădirile potențial vulnerabile.

• Identificarea posibilelor mecanisme de finanțare a departamentelor de construcție.

4. Concluzii

Noua tendința economica, la nivel mondial, contribuie la creșterea aglomerației urbane, iar drept urmare, impactul dezastrelor naturale cunoaște niveluri alarmante. O soluție viabilă în acest sens, prevăzută să minimizeze pagubele suportate de societatea civilă și să asigure capacitatea de a restabili funcționarea în regim normal, constituie crearea orașelor reziliente. Hazardul seismic rămâne a fi un pericol eminent asupra mediului construit, iar urmările sale sunt amplificate de incapacitatea de a prezice locul, timpul și intensitatea producerii. Neglijarea acestei amenințări permanente, se soldează cu urmări extrem de grave, iar prioritar tuturor activităților zilnice trebuie să fie răspunsurile la următoarele întrebări: Suntem pregătiți acasă, la locul de muncă, în spitale, școli sau alte locuri ale comunității? Cât de repede am putea să ne recuperăm de la cutremurul cu magnitudine de 7 grade și cât de grav ar fi dezastrul economic în țară? Fiecare clădire protejată de un cutremur reprezintă reziliență - capacitatea de a reveni rapid după impact - pentru chiriași, angajatori, spitale, servicii guvernamentale și proprietari de imobile. Fiecare structură salvată echivalează cu faptul că familiile pot rămâne în casele lor, iar angajații pot merge la muncă.

Din păcate, lecțiile neînvățate de la cutremurele produse și tergiversarea implementării măsurilor adecvate, continue să genereze pierderi omenești și materiale colosale, în special, pentru centrele industrial dezvoltate.

BIBLIOGRAFIE

Achenbach J. (2015). Kathmandu shifts three

metres in 30 seconds,

https://www.smh.com.au/world/kathmandu- shifts-three-metres-in-30-seconds-2015

Albrito P. (2012). Making cities resilient:

Increasing resilience to disasters at the

local level. Journal of Business, Continuity and Emergency Planning 5(4): 291-298.

Stojadinovic B., Ghosh S., Didier M. (2016). Seismic Resilience of Infrastructure

Systems during the 2015 Nepal

Earthquake Events, Swiss Federal Institute of Technology Zurich, Elveția.

Malalgoda C., Amaratunga D., Haigh R. (2014). Challenges in Creating a Disaster

Resilient Built Environment, Procedia Economics and Finance 6: 736-744.

Cimellaro G.-P., Reinhorn A.-M., Bruneau M. (2006). Quantification of seismic

resilience, in The 8th U.S. National

Conference on Earthquake Engineering . San Francisco, California, SUA.

Georgescu E. (2017). Structuri proiectate in

concept de rezilienta seismica: Costanera

Center, Titanium Tower si Camera

Chiliana a Constructiilor din Santiago de

Chile. Revista Constructiilor 143: 50-56. Longstaff P.-H., Armstrong N.-J., Perrin K., May

W. (2010). Building Resilient

Communities: A Preliminary Framework

for Assessment, Homeland Security Affairs 6: 1-23.

Mironescu M., Stanescu A.-M., Brotea T., Comanescu R.-F., Purdea D.-D., Stanescu M.-V. (2018). Concepte, teorii si modele

care imbunatatesc criteriile de

performanta pentru constructiile existente, Revista Constructiilor 147: 20-26.

Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare în Construcţii, Urbanism, şi Dezvoltare Teritorială Durabilă URBAN-INCERC

Lucrările Conferinţei de Cercetare în Construcţii,

Economia Construcţiilor, Urbanism, Amenajarea Teritoriului

Pagin

a 4

0

CO

NS

TR

UC

ŢII,

AR

HIT

EC

TU

RA

, U

RB

AN

ISM

Omura K. (2013). Urban planning for disaster

resilient cities in case of Japan, report University of Tsukuba, Tsukuba, Japonia.

Pokharel T., Goldsworthy H. (2015). Lessons

Learned from the Nepal Earthquake

2015, in Tenth Pacific Conference on Earthquake Engineering Building an Earthquake-Resilient Pacific, 6-8 November, Sydney, Australia, pag. 1-16.

Sahabi A., Reis A., Khorram D. (2018). The Case

for Earthquake Resilience, report Seismic Resilience Initiative, California., SUA.

Searle M., (2015). The 25th April 2015 Gorkha –

Nepal Earthquake with Mike Searle |

N e p a l e a r t h q u a k e ,

http://www.travelinggeologist.com/2015/05/the-25th-april-2015-gorkha-nepal-earthquake-with-/

Pelletier F. (2015), World Urbanization

Prospects, report United Nation, New York, SUA.

Wales J. (2015), April 2015 Nepal earthquake,

https://en.wikipedia.org/wiki/April_2015_ Nepal_earthquake

Wales J. (2014), 2010 Chile earthquake, https://en.wikipedia.org/wiki/2010_Chile_earthquake

Wales J. (2019), Cutremurul din Tōhoku (2011), https://ro.wikipedia.org/wiki/Cutremurul_din _Tohoku_(2011).