Technologia opracowana na Politechnice Krakowskiej może pomóc w zabezpieczeniu obiektów na terenach sejsmicznych. W samej Turcji jest nawet 600 tysięcy budynków, które wymagają naprawy i wzmocnienia na wypadek przyszłych trzęsień ziemi - mówi RMF FM prof. Arkadiusz Kwiecień z Wydziału Inżynierii Lądowej PK. W rozmowie z Grzegorzem Jasińskim ujawnia, że w Turcji podczas ostatniego trzęsienia ziemi miejscami dochodziło do nawet ponad dwukrotnego przekroczenia najnowszych norm budowlanych, a głównym problemem pozostają jednak obiekty zbudowane według wcześniejszych norm, które były znacznie łagodniejsze. Te budynki można wzmocnić z pomocą opracowanej przez polskich inżynierów technologii tzw. polimerowych złączy podatnych. Technologia ta była testowana przy współpracy m.in. z naukowcami z Włoch, Turcji, czy Macedonii i została opatentowana.
Grzegorz Jasiński, RMF FM: Jak pan ogląda zdjęcia z Turcji - tych jest więcej, nieco mniej z Syrii - te tragiczne obrazy, czasem nawet nowych budynków, które jak domki z kart się rozpadły, jakie są pana pierwsze wrażenia jako inżyniera, który się tym tematem zajmuje? Co tam zawiodło?
Twoja przeglądarka nie obsługuje standardu HTML5 dla audio
Prof. dr hab. Arkadiusz Kwiecień: Trudno na pierwszy rzut oka i pierwsze wrażenie mówić o czymś, co zawiodło, jeżeli nie ma się wglądu bezpośrednio. Turcy mają ekipy, które chodzą i sprawdzają wszystko. Musimy zdawać sobie sprawę, że mamy do czynienia z trzęsieniem ziemi, czyli z oddziaływaniem środowiska, które jest ekstremalne. Można powiedzieć, że bardzo duże. Jeżeli magnituda wstrząsów jeden po drugim wynosiła 7,8 czy 7,7, jeśli źródło tego wstrząsu jest bardzo płytko, to energia, która jest emitowana na powierzchnię i dotyka budynki jest ogromna. Patrząc na te wszystkie zniszczenia i patrząc na Turcję, nie można odejść od aspektu ekonomicznego. W Turcji przed trzęsieniem ziemi w Izmirze w 1999 roku budynki może i były budowane z jakąś normą sejsmiczną, ale ta norma sejsmiczna zakładała bardzo niski poziom tzw. amplitudy przyspieszenia PGA (Peak Ground Acceleration) na poziomie 0,4 przyspieszenia ziemskiego. Nowa norma podwoiła tę wartość do około 0,8 przyspieszenia ziemskiego, czyli 0,8g. Mówimy o poziomym przyspieszeniu, które generuje siły bezwładności na budynkach. Jak wiadomo, w niektórych miejscach tym razem to przyspieszenie wynosiło 1,8 przyspieszenia ziemskiego, więc to było ponad dwa razy tyle, co zostało zakładane w normach.
To jest czynnik, który doprecyzowuje charakter trzęsienia, bo to nie tylko jaka jest siła tego wstrząsu, ale też jak te wstrząsy faktycznie się przenoszą na powierzchni?
Istotną rzeczą jest coś, co określamy jako energia wzbudzenia i później mówimy o magnitudzie, którą rejestrujemy na powierzchni. Wiążemy ją bezpośrednio z energią. Te skale, o których mówimy, czyli tak jak mówiłem magnituda 7,9 czy 7,8 musimy sobie zdawać sprawę, że to jest w skali logarytmicznej, czyli pomiędzy 6 a 7 stopniem jest 10-krotna różnica w wielkości energii. Tak dla porównania, jeżeli weźmiemy najsilniejszy wybuch termojądrowy, jaki człowiek wygenerował na Ziemi, to możemy tę energię porównać mniej więcej do magnitudy 6. Jeżeli tu trzęsienie ziemi mamy 7,9 no to jest to już bardzo dużo. Następnym elementem, bardzo istotnym jest, jak głęboko ta energia zostanie wyzwolona. Jeżeli uskok, który wygeneruje taką energię wstrząsu, jest głęboko, to tak zwane rozproszenie energii w skorupie ziemskiej jest na tyle duże, że jak dochodzi już do powierzchni i oddziałuje na budynki, to energia jest mniejsza. Jeżeli takie źródło jest płytko - a tak było teraz, ostatnio w Turcji, około 19 kilometrów pod powierzchnią - to w takiej sytuacji mamy problem. Bardzo duża komponenta tej energii jest przekazywana bezpośrednio na powierzchnię i na obiekty na niej się znajdujące.
Twoja przeglądarka nie obsługuje standardu HTML5 dla video
Tam dochodzi do poruszeń gruntu, jak rozumiem, które odbywają się z tymi przyspieszeniami, o których pan profesor wspomniał, przekraczającymi normy, które były nawet już po tamtym trzęsieniu z 1999 roku przewidziane?
Tak. W Polsce jesteśmy na terenie dosyć szczęśliwym. Praktycznie można powiedzieć, że u nas trzęsień ziemi nie ma, albo jeżeli jakieś wstrząsy występują, to są o niskiej skali. Nasze normy nie przewidują w dużej mierze silnych oddziaływań poziomych, gdzie trzeba by było liczyć konstrukcje na duże siły bezwładności. Oczywiście mamy takie regiony jak okolice Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego czy Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego, natomiast nie mamy tak silnych trzęsień ziemi. Na szczęście. Z czym się to wiąże? W momencie, kiedy taka fala sejsmiczna ze źródła drgań dochodzi na powierzchnię, propaguje się po całej powierzchni, głównie generując przyspieszenia poziome. Te przyspieszenia poziome są najgorsze. Jeżeli porównamy sobie człowieka, który jedzie w autobusie i się nie trzyma i autobus lekko hamuje, lekko przyspiesza, no to nasze mięśnie reagują i w jakiś sposób staramy się zapobiec tym siłom bezwładności, które na nas działają. Z fizyki znamy: masa razy przyspieszenie daje nam siłę poziomą. W przypadku takiego wstrząsu, który odbywa się na terenach sejsmicznych, komponenta przyspieszeń jest bardzo duża. Tak jak mówiłem, ten poziom PGA 1,8g to jest prawie dwukrotne przekroczenie przyspieszenia ziemskiego. Jeżeli to porównamy z masą budynku, to budynek musi to przenieść. Budynki według nowej normy sejsmicznej, dosyć restrykcyjnej, którą Turcy wprowadzili około 2016 roku, mają już założenia bardzo, bardzo mocne. Tak jak mówiłem, podniesiono ten wskaźnik PGA do mniej więcej 0,8g. Ale to się wiąże także z innymi wytrzymałościami materiałów. To się wiąże z innym ułożeniem zbrojenia w elementach żelbetowych, które przenoszą te obciążenia i są zdolne wytrzymać tego typu działanie sił. Musimy sobie zdawać sprawę, że to jest coś, co zostało dopiero wprowadzone. Nowe budynki są budowane zgodnie z tymi normami. Natomiast stare budynki, nie i wszystko, z czym mamy do czynienia, to, co uległo zawaleniu, całe kwartały, jak pan powiedział, niestety są związane z budynkami, które nie miały odpowiednich zabezpieczeń. W dużej mierze z powodu czynników ekonomicznych. Pamiętam moją wizytę rok po trzęsieniu ziemi w Nepalu w 2016 roku, gdzie w 2015 akurat było silne trzęsienie ziemi, to tam tak samo, budynki były budowane z tego co ludzie mieli pod ręką - cegła, glina, jakiejś niedużej jakości beton. O stali mało kto mówił, więc tej stali dużo nie było. To są elementy, które potrafią nam przenieść te siły poziome. Jeżeli tego nie ma, to wtedy takie ekstremalne obciążenia powodują przekroczenia wytrzymałości materiałów i całe domy nam się składają.
Mówi się dużo w prasie o tym, że niestety, ze względów korupcyjnych, budownictwo na tych terenach w Turcji było też obciążone plagą niskiej jakości betonu i niskiej jakości zbrojenia. Czy gdyby tego problemu nie było, ale normy, które obowiązywały, byłyby te słabsze, sądzi pan, że więcej budynków miałoby szansę przetrwać?
Nie chcę się wypowiadać na temat korupcji, znamy to z czasów komunizmu u nas. Podejrzewam, że tam podobne mechanizmy działały. Natomiast tak, jak powiedziałem, poprzednie normy sprzed 2000 roku, które tam obowiązywały, zakładały niższe wartości wstrząsów i niższe parametry materiałów, które są w stanie to wytrzymać. Mówimy tutaj o rozwoju nauki, bo każdy taki problem jest w jakiś sposób powiązany z tym, co my, naukowcy, inżynierowie robimy, żeby to wszystko polepszyć. Tureccy naukowcy po tym silnym trzęsieniu ziemi w Izmirze, gdzie także duża liczba budynków się zawaliła, podnieśli parametry norm. Szyje się coś na potrzeby i to oni robili. Natomiast musimy sobie zdawać sprawę, że Turcja leży w takim regionie sejsmicznym, gdzie kilka płyt tektonicznych oddziałuje. Oni sobie zdają sprawę z zagrożenia, które nadchodzi. Natomiast mają bardzo dużo budynków, które są słabej jakości. Tych budynków jest niezmiernie dużo. Jeden z profesorów, z którym mam kontakt z Turcji, profesor Alper Ilki powiedział, że w tej chwili w Turcji jest około 600 tysięcy budynków, które wymagają wzmocnienia i wymagają naprawy, żeby się zabezpieczyć przed nadchodzącym, podobnie silnym, jeżeli nie silniejszym trzęsieniem ziemi. Dotyczy to silnie zurbanizowanych ośrodków Turcji, w tym także Stambułu.
Jak to zrobić, nie dokonując całkowitej przebudowy?
Są różne metody. Ostatnie lata pokazują, że nauka próbuje wdrożyć do tego różnego rodzaju technologie, m.in. technologię materiałów kompozytowych. Ale musimy sobie zdawać sprawę z konsekwencji użycia materiałów kompozytowych, które są o bardzo dużej sztywności, bardzo dużej wytrzymałości. Są to bardzo mocne włókna węglowe, aramidowe, czy szklane w matrycach z żywicy epoksydowej lub z silnych zapraw cementowych. Ich zastosowanie powoduje, że mamy cały czas do czynienia z elementem wzmacniającym, który jest bardzo sztywny, bardzo mocny i jednocześnie jest materiałem kruchym, czyli pęka bez ostrzeżenia. Jeżeli tego typu wzmocnienie nałożymy na słaby budynek, to - jak w łańcuchu - pęka najsłabsze ogniwo, a tym najsłabszym ogniwem niestety jest stary materiał. Koszulka z materiału kompozytowego o bardzo dużej wytrzymałości i sztywności odpadnie nam od podłoża, które próbujemy wzmocnić, czyli od ściany, bez jakiegoś istotnego zwiększenia parametrów bezpieczeństwa takiego obiektu. Inne technologie, które zostały wymuszone na terenach sejsmicznych i weszły także do norm sejsmicznych, to jest zwiększenie tzw. ciągliwości, czyli pozwolenie konstrukcji na - powiedzmy to kolokwialnie - bardziej podatne zachowanie. Konstrukcja może nam się bardziej wychylać. Jeżeli konstrukcja działa w sposób sztywny, czyli próbujemy zabezpieczyć ją przed pochyleniem, to wtedy się przenosi bardzo duże siły. Jeżeli - tak jak drzewo w trakcie silnego wiatru - potrafi się lekko wychylić, w jakiś sposób rozprasza tę energię, która jest dostarczana i potrafi się zabezpieczyć. W nowej tureckiej nowej normie jest wymóg, że takie bezpieczne wychylenie budynku musi być co najmniej do 2 proc. Czyli jeżeli weźmiemy jako 1 wysokość budynku to 2 proc. przemieszczenia poziomego branego z tej wysokości budynku to jest to wychylenie, które jest wymagane. Przy takim wychyleniu wszystkie elementy konstrukcyjne muszą być na tyle bezpieczne, żeby nie uległy uszkodzeniu. Chodzi o to, by np. ściana nie wypadła z czwartego piętra na ulicę i nie dokonała zniszczenia. Tu mówimy o nowej normie. Natomiast wszystkie stare normy tego nie mają. Wszystkie elementy naprawcze, które powinny iść w tym kierunku, powinny pozwalać na przeniesienie dosyć dużych sił, ale jednocześnie pozwalać na duże deformacje, czyli żeby równocześnie te dwa elementy funkcjonowały.
A można to jakkolwiek zrobić w przypadku już stojących budynków?
Tak. W Politechnice Krakowskiej rozwinęliśmy technologie tzw. polimerowych złączy podatnych. Nie jesteśmy krajem sejsmicznie dotkniętym, ale śp. Prof. Roman Ciesielski był tu inicjatorem prac z zakresu sejmiki. Ta technologia opiera się na połączeniach konstrukcyjnych, które są w stanie przenosić duże deformacje i duże siły równocześnie. Tego typu rozwiązanie przetestowaliśmy wspólnie z partnerami z zagranicy, z Grecji, z Turcji, z Włoch, czyli z krajów, które są dotknięte trzęsieniami ziemi. Przetestowaliśmy na takim budynku w skali naturalnej tzw. In Fields, czyli rama żelbetowa ze ścianami wypełniającymi z elementów murowych. Zastosowaliśmy polimerowe złącza podatne w konfiguracji kompozytowej, prefabrykowanej i iniekcyjnej. Testowaliśmy tam przypadek budowy nowej ściany wypełniającej w takiej ramie żelbetowej. Czyli tak, jakbyśmy przeszli na nowy obiekt lub taki, który był uszkodzony i ściana z takiego obiektu wypadła. Badaliśmy to także dla obiektów, które są już gotowe. Trzeba było naciąć odpowiednią przestrzeń na zastosowanie złącza podatnego. Wtedy, jak na istniejącym budynku, tak żeśmy to zainstalowali. Badania, które przeprowadziliśmy na stole sejsmicznym, pokazały, że to nasze rozwiązanie było niezwykle skuteczne i zapobiegło zawaleniu budynku, mimo bardzo silnych oddziaływań sejsmicznych, które tam zaaplikowaliśmy, mimo osiągnięcia maksymalnego wymuszenia, jakie ten stół potrafił zadać.
To rozwiązanie, jak rozumiem, jest opatentowane. Czy ono może się przydać przy odbudowie Turcji po tym trzęsieniu ziemi? Czy jest jakieś zainteresowanie? Czy państwo będziecie coś sugerować?
Powiem w ten sposób. W tej chwili wraz dziekanem Wydziału Inżynierii Lądowej, prof. Andrzejem Szaratą, podjęliśmy inicjatywę, żeby wspólnie z partnerami z Turcji, ale także z Uniwersytetu Stanforda, gdzie prezentowałem te technologie na seminarium, zwrócić się do naszych polityków, ale także za ich pośrednictwem do polityków w Turcji i spróbować zawiązać jakąś taką komórkę, która pomogłaby w pierwszej kolejności w ocenie tych wszystkich zniszczeń, które tam są, gdzie ewentualnie te nasze technologie można by było zaaplikować, żeby pomóc w ratowaniu ludzkiego życia. Ta technologia obecnie jest wdrażana przez spółkę spin off Politechniki Krakowskiej. Jest gotowa do użycia, więc jesteśmy otwarci na pomoc w tym zakresie.
Tureckie firmy są z kolei obecne w Polsce, bo budują u nas dużo, w związku z czym być może ta współpraca mogłaby się już nawet tutaj zawiązać.
Ta technologia jest specjalistyczną technologią i trzeba ją wdrażać w sposób - przepraszam za kolokwializm - rozumny. Natomiast jak każda technologia jest do nauczenia się. Jesteśmy w stanie nauczyć zarówno polskie firmy, jak i firmy zagraniczne tej technologii po to, żeby można było to wdrożyć bezpiecznie właśnie tam, na miejscu w Turcji.
Jakie są koszty, jeżeliby chcieć uzupełniać istniejące budynki o taką dodatkową konstrukcję zabezpieczenia, a jak gdyby chcieć budować od nowa i ją wykorzystywać?
To różnica jest, myślę, kilkakrotna. W chwili obecnej, żeby zbudować coś od samego początku zgodnie z normami tymi, które są w Turcji, koszt takiego budynku będzie na pewno kilkakrotnie większy niż wszelkiego rodzaju technologie, które pozwalają utrzymać to, co jest i zabezpieczyć. Nie możemy mówić tutaj o czymś takim, że na przykład technologia, którą wprowadzamy, jest za droga. Jeżeli patrzymy na koszty, musimy patrzeć zwykle na globalny koszt całości rozbiórki budynku, postawienia go od nowa. W momencie, kiedy instalujemy technologię, która nawet jednostkowo jest droższa, na samym początku, ale w globalnym rozrachunku oczywiście ekonomicznym, bo to też musi być tym podparte - daje nam korzyści tego typu, że budynek przetrwa kilka trzęsień ziemi, nawet jeżeli jest zbudowany w technologii bardzo słabej, ale poprzez zastosowanie odpowiednich zabezpieczeń jest w stanie przenieść wymuszenia kilkoma trzęsieniami ziemi. To już jest bardzo duży postęp ekonomiczny, ale także i techniczny w tym rozwiązaniu.