42A

Cristiana Nitu42A

1

Cedarea structurilor de acoperire datorita ninsorii

In fiecare an, iarna aduce atat momente cu putina zapada cat si furtuni intense de zapada, aceste furtuni sunt cunoscute ca fiind principala cauza a prabusirii acoperisurilor. Avand in vedere aceste extreme, zapada este un element important in proiectarea constructiilor. Incarcarile mari de zapada reprezinta o preocupare atat pentru arhitecti cat si pentru ingineri, deoarece de cele mai multe ori acest fenomen este cauza prabusirii acoperisurilor si alte probleme structurale , producand daune de milioane si intreruperi de functionare. Este responsabilitatea inginerilor de a proiecta o structura pentru a rezista la sarcini extreme si , uneori, imprevizibile.De-a lungul suprafeteleor orizontale si in absenta vantului, zapada se aseaza intr-un strat uniform. Daca pantele sunt mici, pentru suprafete inclinate situatia este similara cu suprafetele orizontale. In cazul in care panta este mare , mai mult de 60 de grade, zapada aluneca in totalitate. Straturile de zapada succesive sufera fenomenele de congelare si decongelare, prin urmare, in grosimea stratului de zapada exista zone cu densitati diferite, concentrandu-se mai mult la baza.

In proiectare, in codurile din Romania sa adoptat o valoare medie conventionala pentru greutatea zapezii de z = 2.5kN/mc. Stratul de zapada de la nivelul acoperisului este diferit fata de cel de la nivelul solului, in absenta vantului. La nivelul acoperisului grosimea stratului de zapada poate varia in functie de geometria acoperisulu, caracteristicile invelitorii, valorile termice ale constructiei, in caracteristicele meteo ale zonei. Toate aceste conditii realizand doua situatii fundamentale: Statul de zapada este uniform, caz in care nu exista nici o actiune a vantului si nici procese de decongelare. Stratul de zapada este neuniform, fiind atat zone aglomerate cat si zone mai subtiri.

In practica de proiectare ambele situatii trebuie luate in considerare. Sarcina la nivelul acoperisului , conform codului, este determintata de greutatea stratului de zapada de la nivelul solului, pe o suprafata orizontala si in absenta vantului. Greutatea specifica a stratului de zapada este data de urmatoarea relatie: gz = hz x z [kN / mp] ( Bruska, J. Tobiasson, W. 2001 )Codul in viguare, din Romania ( CR1-1-3/2005 ) ofera in mod direct , pentru fiecare oras valoarea caracteristica gz sub forma unei harti climatice ce contine roasele si zonele situatie la altitudini mai mici de 1000m.Cu toate aceastea, esecurile structurale sunt rezultatul intretinerii necorespunzatoare , a unei proiectari defectuase sau erori de constructie. De multe ori s-a dat vina pe cod, sustinand ca cerintele cerute acolo sunt inadecvate. Ca urmare a acestor acuzatii si datorita mai multor prabusiri au fost implementate mai multe modificari de cod. In unele momente datorita caderii masive de zapada, sarcinile asupra acoperisului pot fi intense si acestea pot provoca prabusiri devastatoare, dar aceste complicatii pot fi evitate prin punerea in aplicare a catorva masuri de preventive si prin inlaturarea prompta a zapezii.Incarcarea dezechilibrata poate fi dificil de anticipat, un asfel de fenomen este cel al troienelor. Acestea se formeaza in urma a trei elemente: o cantitate mare de zapada, un vant capabil sa ridice zapada si o neregula geometrica. Acest fenomen este intalnit cel mai des la schimbari de nivel pe acoperis, sursa lui o reprezinta nivelul de sus, vantul impingand zapda pe un nivel inferior unde un vant de directie opusa o fixeaza langa peretele vertical. Un alt emenet ce ajuta la formarea nametiilor sunt peretii de tip parapet ce se pot intalni pe un acoperis plat, aici vantul matura zapada pana langa parapet unde o depoziteaza. Peretii de tip parapet devin o problema pe masura ce acestia cresc in inaltime, un perete mai inalt permite o acumulare mai mare. Parapetii sunt responsabili de 11% din cedarile acoperisurilor ( conform studiului ORourke din 2008) Alunecarea zapezii este o alta problema in performanta unui acoperis, acest lucru se intampla cand zapada aluneca de pe un acoperis mai inalt pe un acoperis inferior. Acest fenomen este de o importanta sporita mai ales atunci cnad nu exista cadre de oprire a alunecarii. Cand apare alunecarea sarcini suplimentare de zapada sunt impuse pe un acoperis inferior, astfel de sarcini pot fi calculate in prezent cu ajutorul unor standarde. Cu toate acestea in momentul in care zapada aluneca de la o inaltime considerabila acoperisul inferior este supus unei sarcini dinamice puternice . In urma alunecarii se pot glisa de asemenea si elemente de acoperis (materiale de sarpanta, sau echipamente mecanice) Cantitati mari de zapada se pot acumula crescandu-se incarcatura, incarcatura pe care arhitectul nu a anticipat-o. Totusi sunt si alti factori ce pot produce o cedare a acoperisului. Acesti factori pot fi o proiectare inadecvata, conturul acoperisului, supraincarcarea acoperisului cu sisteme de izolatie sau chiar construirea incorecta. Fiecare factor poate provoca prabusirea acoperisului. Un astfel de exemplu este o hala cu o structura metalica din Zurich care in 2003 s-a prabusit din cauza unei incarcaturi mai mari decat cele anticipate. In trecut codurile de proiectare nu prevedeau incarcaturi dinamice sau neuniforme de zapada, ele erau preocupate doar de incarcatura uniforma. Se incearca eradicarea acestei erori, fiind incluse la momentul actual si calcule pentru alte tipuri de incarcare. Cu toate procedurile luate in ziua de azi pentru prevenirea distrugerii unei constructii datorita zapezii, se intampla ca o combinatie dintre zapada si vant sa provoace distrugeri la nivelul acoperisului, chiar daca au fost luate in considerare toate conditiile prevazute in codul de proiectare.

New England iarna 2011In iarna anului 2011, New Englanda fost devastat de o serie de furtuni de zapada. O serie de cicluri de inghet-dezghet au insotit furtunile au afectat regiunea. Multe acoperisuri s-au prabusit numarul lor exact nu este cunoscut. Un articol din New York Times relateaza ca doi barbati lucrau la etajul doi dintr-o cladire de 120 de ani in Middletown, Connecticut. Ei au vazut grinzile acoperisului incepand sa indoaie si au fugit afara din cladire cat de repede au putut. Cateva momente mai tarziu, cladirea s-a prabusit. Furtunile neincetate au ajuns sa izoleze foarte multe persoane in casele lor. Foarte multe cladiri au suferit distrugeri de la cantitatea mare de zapada cazuta. Multe scoli au fost inchise din cauza fricii de a nu ceda acoperisurile. Un alt caz a fost prabusirea acoperisului unui azil de batrani . 15 persoane au fost prinse sub daramaturi atunci cand a cazut acoperisul, majoritatea au scapat nevatamati in afara de doua persoane ce au necesitat ajutor in eliberarea de sub daramaturi. ( Accu Weather 2011)Waterville, Maine februarie 1994Pe data de 9 februarie 1994 un nou liceu a fost deschis in Maine, cateva zile mai tarziu acoperisul lui a cedat. Scoala era impartita in 6 sectiuni si avea o forma neregulata cu cote de acoperis diferite in functie de ce functiune gazduia acel corp. diferenta medie de inaltime intre segmentele adiacente era de 7 metri. Sistemul acoperisului era format din grinzi de lemn cu legaturi metalice ce se asezau pe pereti portanti. Majoritatea grinzilor ieseau in consola de-a lungul zidurilor exterioare.Acoperisul a fost proiectat sa suporte 75 gz, in momentul prabusiri incarcatura proprie atingea 19 gz, ramanand 56 gz pentru incarcatura uniforma a zapezii. In proiectare, din pacate nu au fost incluse incarcarile neuniforme. In ziua in care acoperisul a cedat vantul a suflat cu putere, majoritatea zapezii a fost indepartata cu exceptia zapezii prinsa langa treptele de nivel. Cu o densitate normala dar avand in vedere ca existau si straturi de gheata, greutatea estimata a zapezii era de 34kg pe metru patrat. Cateva articulatii au cedat sub aceasta greutate. Suprafata acoperisului trebuia sa distribuie greutatea uniform, dar nodurile de articulatie deja erau solicitate la capacitate maxima, astfel incarcarea suplimentara adusa din aglomerarea de zapada pe noduri aleatorii au produs ruperea lor. Greutatea de pe nodurile de articulatie a fost de 1.7 si chiar 2.0 mai mult decat normal ( Afirmatia grupului Zallen Engineering, cei ce s-au ocupat de constatarea pagubelor ). Cel mai probabil cauza cedarii este suprasolicitarea nodurilor datorita incarcaturii suplimentare, nodurile respective au cedat, iar nodurile invecinate nu au reusit sa sustina incarcarea aditionala care le-a fost transferata, si astfel s-a produs un efect de domino.Minneapolis, Minnesota - Decembrie 2010In dimineata de 12 decembrie, 2010 domul stadionului Hubert H. humphrey din Minneapolis a cedat in urma unor caderi masive de zapada. Construit in 1982, Metrodomul, dupa cum este numit, a gazduit numeroase evenimente, iar momentul actual este stadionul universitatii locale. O furtuna masiva ce a adus atat zapada din abudnta cat si vanturi puternice si astfel s-au acumulat peste 30 de cm de zapada pe parcursul celor 3 zile10-12 Decembrie. Incarcatura rezultata a facut ca acoperisul din fibra de sticla sa se deformeze si sa se dezumfle si in cele din urma structura sa flambeze.

Acoperisul Metrodomul a fost inspectat in mod regulat, ultima inspectie avand loc in Aprilie 2010. Acoperisul era compus din doua straturi, unul subtire din Teflon si cel de-al doilea putin mai gros din fibra de sticla ( Engineering News Record, 1981 ). La acel moment starea acoperisului a fost numita ca buna dar cu anumite defectiuni la stratul de fibra de sticla care a acumulat mult praf in cursul vietii sale. In 2005, compania ce a produs si intalat acoperisul a propus o inlocuire totala membranei acoperisului. Operatiunea a fost estimata ca va costa 12 -15 milionane de dolari, iar inlocuirea v-a dura aproximativ 5 ani. Dar in Aprilie 2010 dupa ce acoperisul a fost inspectat s-a hotarat sa se mai pastreze cel vechi deoarece viata sa inca nu s-a scurs, si acesta v-a ramane in uz pana la urmatoarea inspectie care fusese programata in 2014. ( Metropolitan Sports Facilities Commission, 15 iulie, 2010 ).Cu o zi inainte de colaps, in regiune s-a inregistrat o furtuna masiva de zapada ce a lasat in urma un strat de 30 de cm de zapada in regiunea Minneapolis. Aceasta furtuna a fost inregistrata ca a cincea cea mai mare ninsoare din aceasta regiune.Anticipand venirea nisorii, echipele de intretinere a domului au luat masuri de precautie, in seara de vineri, 10 Decembrie 2010, au ridicat temperatura interioara a domului la 26 de grade C si au pompat aer cald intre cele doua straturi de acoperire.Observad efectul negativ pe care il avea vantul, producand acumulari neuniforme pe acoperisul stadionului, administratorul lui a chemat un echipaj care sa indeparteze zapada acumulata. Cu ajutorul jeturilor de apa incalzita, echipajul a incercat sa topeasca zapada acumulata pe acoperis. Cu toate acestea, rata de depunere era mai mare decat cea de inlaturare. Datorita rafalelor de vant ce au doborat cativa muncitori, in jur de 6 seara muncitorilor le-a fost interzis sa mai lucreze deoarece le era pusa viata in pericol. Dupa putin timp a fost declarat ca cupola domului a inceput sa se deformeze in centru.

Zapada a continuat sa cada si in acea seara cat si de dimineata. La aproximativ 5.03 in dimineta de 12 Decembrie, o masa de zapada a rupt membrana acoperisului provocand o gaura masiva. Presiunea interioara a domului a fost prevazuta sa suporte depresurizarea provocata de gauri de dimensiuni mici, dar cu o astfel de gaura a rezultat o depresurizare a mediului interior si in cele din urma a cedarii cupolei. Structura si-a inversat curbura si astfel toata zapada s-a adunat in centrul cupolei. In momentul alunecarii incarcatura uriasa de zapada a produs o multitudine de perforari in materialul acoperisului, pe alocuri aceste perforari s-au transformat in rupturi masive ce au descarcat cantitati mari de zapada in mijlocul stadionului.Dupa ce cupola a cedat, pe 12 decembrie a fost chemata o firma care sa evalueze pagubele ce s-au produs in structura Metrodomului. Potrivit comisiei de evaluare ruptura a fost provocata de alunecarea de gheata si zapada ce au avut un impact negativ asupra grinzilor inel ce sustineau structura acoperisului si de ruptura materialului ce acoperea domul. Ruptura din membrana a cauzat o pierdere in presiune a mediului interior ce a rezultat in cedarea cupolei.Membranele de polytetrafluoroethylen au o viata de aporximativ 20-30 de ani. De foarte multe ori, datorita unei intretineri bune, viata lor poate fi extinsa peste asteptari. In urma inspectiei de dupa cedare, a fost sugerat ca materialul de fibra de sticla tesuta ajunsese la sfarsitul vietii sale. In plus, structurile de tip dom in care acoperisul este sustinut cu ajutorul presiunii interioare, sunt extrem de vulnerabile la un coaps progresiv. De exemplu, in materialul cupolei cateva perforari ale materialului au rezultat intr-un esec global al intregului dom.Echipa de intretinere a Metrodomului a luat masuri de precautie pentru ninsoarea ce avea sa cada. Totusi, materialul imbatranit in combinatie cu furtuna apriga s-a dovedit prea mult pentru structura acoperisului. La 28 de ani, materialul era in ultima partea a vietii. Era clar momentul oportun pentru inlocuirea lui.Structurile sustinute prin presiune sunt pe cale de disparitie. Stadioanele si alte constructii asemanatoare inep sa inglobeze si restaurante ,baruri si in momentul actual implementeaza tehnologii digitale. Structurile presurizate nu pot adaposti asemnea facilitati. In plus, aseamena constructii au costrui foarte mari de incalzire si racire datorita izolarea lor foarte proaste, si necesita o munitorizare permanenta. Ele ofera un saptiu liber foarte mare pentru spectatori si pot adaposti evenimente de-a lungul intregului an. Totusi, structurile sustinute prin tensiune devin din ce in ce mai populare datorita nivelului mare de fiabilitate.Furtunile de zapada si conditiile metorologice ale iernii creaza sarcini suplimentare pe cladiri si este cerut ca in proiectarea constructiilor sa se ia in considerare si aceasta variabila. Cu toate acestea, uneori fortele naturii sunt prea puternice si apare supraincarcarea structurilor. Aceste erori pot provoca pagube enorme, este important ca fiecare propietar sa stie limitele constructiei sale, si astfel sa poata implementa un plan de munitorizare a constructiei atat inainte cat si dupa o ninsoare puternica. Zapada este spectaculoasa dar atat noi ca arhitecti cat si fiecare proprietar trebuie sa fie constient de efectele negative ale constructiei.

Bibliografie: ORourke, Michael (1990). Roof Snowdrifts Due to Blizzards. AccuWeather (2011). Roofs Collapsing Under Tons of Snow in New England. Buska, J. Tobiasson, W. (2001). Minimizing the Adverse Effects of Snow and Ice on Roofs. 'Agenda for the Metropolitan Sports Facilities Commission Regular Meeting.' Metropolitan Sports Facilities Commission. Minneapolis.