Une «tempête parfaite» a causé des fractures au centre de transit de Salesforce

Sep 06, 2023

Des fractures dans les semelles inférieures des poutres jumelées qui enjambent Fremont Street ont déclenché la fermeture du Salesforce Transit Center fin septembre, environ six semaines après son ouverture. Avec l'aimable autorisation de TJPA/LPI

RAPPORT SPÉCIAL Les causes sous-jacentes des problèmes du centre de transit Salesforce de San Francisco, long de 4,5 pâtés de maisons, sont de plus en plus au centre des préoccupations. Une combinaison d'une faible ténacité à la rupture profondément à l'intérieur de plaques d'acier épaisses, de fissures présentes en raison de la fabrication normale de l'acier et de niveaux de contrainte dus aux charges, qui sont fonction de la conception, a apparemment causé des fractures fragiles dans les semelles inférieures de la double plaque composée du centre poutres qui s'étendent sur 80 pieds à travers Fremont Street.

Les trois ingrédients étaient nécessaires pour les fractures fragiles. "Enlevez n'importe lequel et il n'y a pas de fracture fragile parce que les deux autres compensent", déclare Michael D. Engelhardt, professeur d'ingénierie à l'Université du Texas, Austin, et président du comité indépendant d'examen par les pairs formé en octobre par le Commission métropolitaine des transports de la région.

L'un des ingrédients est la faible ténacité à la rupture d'un matériau, qui indique à quel point l'acier est intrinsèquement résistant à la rupture fragile, explique Engelhardt. Une autre est une discontinuité initiale, connue de manière informelle sous le nom de fissuration, souvent présente en conséquence de la fabrication normale de l'acier. Une fissure, comme dans une vitre, provoque une concentration de contraintes, explique Engelhardt. Il est bénin si les autres ingrédients ne sont pas présents.

Le troisième ingrédient est un niveau de stress suffisamment élevé, qui est fonction de la conception. Les charges de service, dans ce cas les charges vives telles que les bus, génèrent la contrainte.

Les problèmes rencontrés au Salesforce Transit Center ouvrent une fenêtre sur certains des défis liés aux processus, au contrôle de la qualité et à la responsabilité qui se posent lors de la conception, des détails, de la fabrication et de la construction de structures en acier à longue portée avec des sections grandes ou très épaisses. Parmi les questions soulevées, il y a celle de savoir si les codes et les normes devraient être modifiés.

Le panel du MTC, en plus de sa charge d'examen technique et de protection de la sécurité publique, s'attend à faire des recommandations pour modifier les pratiques standard, et éventuellement les codes et procédures.

"Il y a beaucoup de choses que nous pouvons apprendre de cela", déclare Engelhardt. "Les personnes qui écrivent des codes et des normes devraient prendre cela au sérieux", ajoute-t-il.

Les poutres coniques jumelles problématiques ont forcé la fermeture du centre de transit fin septembre, moins de six semaines après son ouverture à la mi-août. Les travées avaient passé toutes les revues et inspections de conception, respectaient toutes les spécifications requises et avaient été conçues et construites par certaines des entreprises les plus réputées du secteur du bâtiment.

Le centre de transit de 1,2 million de pieds carrés, conçu par Pelli Clarke Pelli Architects avec l'ingénieur de référence Thornton Tomasetti Inc. (TT), a été construit par la coentreprise Webcor/Obayashi. Skanska USA Civil West a détenu le contrat de sous-traitance de 189,1 millions de dollars pour fournir les 23 000 tonnes d'acier de construction du bâtiment et ériger l'ensemble du système, y compris l'exosquelette exotique du bâtiment.

Le centre de transit a un système semblable à un pont identique de poutres en plaques construites parallèles enjambant la première rue.

"First Street a les mêmes conditions mais pas de fractures", explique Engelhardt. La raison, ajoute-t-il, est une séquence différente de coupe thermique et de soudage pendant la fabrication.

L'atelier Herrick Corp. a fabriqué les quatre poutres à partir de plaques de bride en acier fournies par ArcelorMittal et de plaques d'âme plus minces fournies par Nucor Corp.

Comme il n'y avait pas d'aire de dépôt sur le site, les poutres ont été prélevées dans des assemblages préfabriqués de 80 pieds de long, directement à partir de camions, et placées sur des colonnes d'extrémité de chaque côté de la rue. De nombreux éléments de la structure ont été ajustés "à sec" hors site pour s'assurer qu'il n'y avait pas de problèmes d'aménagement et permettre l'installation, explique le propriétaire public, la Transbay Joint Powers Authority (TJPA).

Avant la fermeture, l'installation fonctionnait comme un dépôt de bus, avec trois niveaux au-dessus du sol et un parc public sur le toit de 5,4 acres. Les poutres du troisième étage soutiennent le parc directement au-dessus et le niveau des bus du deuxième étage - via une connexion de suspension soudée à mi-portée - directement en dessous du niveau des poutres. Les poutres problématiques s'étendent d'est en ouest dans le sens longitudinal du bâtiment, sur la rue Fremont de 50 pieds de large. Fremont passe sous la partie est du bâtiment.

Les fractures de la semelle inférieure se trouvent près de la portée médiane de 8 pieds de profondeur de chaque poutre soudée en atelier, à des coupes de 2 po x 4 po dans les plaques de semelle, de chaque côté de l'âme. Les coupes ont été faites là où les soudures se rejoignent, près de l'endroit où la plaque de suspension passe à travers la bride et les deux plaques de bride de 40 pieds de long, chacune de 4 pouces d'épaisseur, ont été jointes à l'aide d'une soudure à pénétration complète. La plaque de suspension de 18 po de largeur mesure 4 po d'épaisseur en son milieu et se rétrécit à 1,5 po d'épaisseur à ses extrémités.

La fente de suspension est un peu plus de 18 pouces dans le sens longitudinal de la bride et de 4 pouces dans le sens transversal de la bride, suivant le contour de la plaque de suspension mais un peu plus grande pour laisser passer la plaque de suspension. Il y a ¾ po. soudures d'angle en atelier sauf à la connexion des extrémités des plaques de bride.

La plaque de suspension épaisse passe à quelques pieds sous la poutre, où elle est boulonnée à un élément à large semelle en tension. Ce membre prend le pont des autobus du deuxième niveau.

À la suite des problèmes qui ont fait surface, les parties impliquées et leurs experts-conseils ont tenté de reconstituer les conditions et les actions qui ont conduit aux fractures. « Rien n'est exclu, que ce soit la conception, la fabrication ou l'installation », déclare Dennis Turchon, directeur principal de la construction chez TJPA.

En plus du matériau et de la fabrication, le panneau MTC examine attentivement les assemblages de suspension. "Nous devons analyser ce détail de connexion pour dire qu'il est sûr", déclare Engelhardt.

Des échantillons de matériaux seront prélevés en hauteur dans la poutre, là où les suspentes sont en compression. Il y aura une analyse détaillée de l'état de stress.

"Nous ferons une analyse détaillée des contraintes de la façon dont le support se connecte à la poutre lorsqu'il rencontre l'âme de la poutre", explique Engelhardt. "Si nous voyons des concentrations de contraintes, nous lisserons en meulant et en polissant ou en élargissant la plaque de bande là où elle rencontre la plaque épaissie", ajoute-t-il.

Le panel examinera également les problèmes de charge de fatigue, afin de déterminer dans quelle mesure la fatigue a été prise en compte dans la conception d'origine. "Nous avons à peine commencé cela", déclare Engelhardt. "L'analyse doit être effectuée en premier. Si le risque de rupture fragile n'est pas à l'aise, nous pouvons mettre en place un chemin de charge redondant", dit-il.

De nombreuses questions sont dans l'air. Devrait-il y avoir des tests plus stricts exigés des aciéries pour la qualité des matériaux, y compris la ténacité à la rupture ? Devrait-il y avoir des procédures supplémentaires en place pour l'examen des détails non standard ?

Il y a encore plus de questions.

Devrait-il y avoir des procédures différentes exigées du dessinateur d'acier et du fabricant d'acier lorsque l'ingénieur responsable introduit des coupes dans les brides et/ou les âmes sur les dessins d'atelier, une fois l'examen de la conception terminé ? Devrait-il y avoir des séquences plus précises sur les dessins d'atelier pour les coupes et les soudures dans les tôles fortes ? Les fabricants devraient-ils être tenus d'embaucher des dessinateurs qui préparent directement les dessins d'atelier plutôt que le sous-traitant en acier ou le fabricant qui engage le dessinateur ? Le fabricant devrait-il être autorisé à communiquer directement avec les autres parties ?

La TJPA dit qu'elle coopère pleinement avec le panel du MTC pour déterminer les causes des fractures. Bien que la TJPA ne fournisse pas de date de réouverture, Turchon déclare : « Notre priorité absolue est de rouvrir le centre de transit dès que possible en toute sécurité et cela nécessite toute notre attention et nos efforts pour fournir au comité d'examen par les pairs toutes les informations qu'il demande. pendant qu'ils font leur important travail de détermination de la cause de l'échec."

"Il est de notre devoir et de notre responsabilité d'être totalement transparents avec le public quant à la cause et aux réparations proposées", ajoute-t-il. "Dans cet effort, nous avons mis à disposition sur notre site Web des milliers de pages d'inspections, de dossiers, de dessins, etc., et nous avons fourni des informations via les réunions de notre conseil d'administration et la presse pour tenir le public informé."

Cependant, les parties intéressées, y compris certains membres de l'équipe de construction, disent que parcourir les milliers de pages publiées par TJPA, c'est comme chercher quelques aiguilles dans de nombreuses meules de foin.

D Lors d'une réunion publique du 13 décembre du conseil d'administration de la TJPA, Robert S. Vecchio, PDG du métallurgiste LPI, a présenté les conclusions à ce jour sur les fractures fragiles, qu'il a qualifiées d'évaluation préliminaire des causes profondes. Les résultats sont basés sur des analyses et des tests effectués sur des échantillons de matériaux coupés des brides dans les régions fracturées. L'analyse des contraintes par éléments finis de LPI est en cours.

L'enquête à ce jour "suggère que la cause probable des fractures des poutres est la formation de fissures dans les rayons des trous d'accès aux soudures des poutres avant la mise en service", a déclaré Vecchio. Le client de LPI est TJPA via TT et Turner Construction Co., le directeur de la construction de l'installation, selon Vecchio.

Des microfissures de surface peu profondes se sont développées lors de "la découpe thermique des trous d'accès de soudure dans la couche de surface martensitique hautement durcie et cassante", a déclaré Vecchio. Les WAH n'étaient pas meulées et polies, ce qui aurait éliminé les microfissures, qui sont une conséquence normale de la coupe thermique, a-t-il ajouté.

– Robert S. Vecchio, PDG du métallurgiste LPI

De plus grandes fissures dites pop-in se sont ensuite formées dans deux des quatre brides, potentiellement lors du soudage bout à bout des plaques de bride, a déclaré Vecchio.

Enfin, "une rupture rapide à faible énergie des semelles s'est produite lorsque la poutre a été soumise à une charge de service, en plus des contraintes normales dues à la fabrication", a déclaré Vecchio. "Des défauts préexistants se sont formés à des températures élevées lors de la découpe thermique des trous et des soudures bout à bout", a-t-il ajouté.

Vecchio a déclaré que les tests de microdureté indiquaient la présence d'une "zone très fragile" qui "permettait" la formation de fines fissures. Cependant, il n'y avait rien de défectueux dans les soudures ou dans la plaque d'acier.

"Les niveaux de ténacité à la surface du matériau étaient bons", a-t-il déclaré, mais "la ténacité dans l'axe de la plaque est faible et des fissures se sont formées", bien que "la plaque réponde aux exigences".

Dans un commentaire public après la présentation de Vecchio, Rafael Sabelli, directeur de l'ingénieur en structure Walter P Moore (WPM), a déclaré que qualifier l'enquête LPI d'"évaluation des causes profondes" était trompeur. "Ce n'était que la première étape et la cause immédiate, le mécanisme de formation et de propagation de la fissure", a déclaré Sabelli, représentant WPM, qui est consultant pour Herrick.

"Une évaluation des causes profondes doit inclure une enquête sur les problèmes de chargement, de fatigue, de conception et de spécification", a-t-il ajouté.

Les mêmes "méthodes de fabrication ont été utilisées sur des projets précédents et continueront d'être utilisées sur de futurs projets", a déclaré Sabelli. Le détail de conception de la connexion de suspension n'a pas été utilisé sur les projets précédents et "ne sera probablement pas répété sur les projets futurs", affirme-t-il.

Un autre expert, qui refuse d'être nommé, déclare : "La présentation de Vecchio semblait supposer que le point de départ était une condition donnée et qu'il n'y avait pas d'autres façons de concevoir la connexion de suspension. Il y a probablement une douzaine d'alternatives qui auraient pu être employées."

La plaque de semelle fracturée, près de la portée médiane de la poutre à plaques composée conique, a une épaisseur de 4 pouces et une largeur de 36 pouces. Chaque bride inférieure mesure au total environ 80 pieds de long.

Les tests standard de ténacité à la rupture sont appelés tests Charpy V-Notch (CVN), qui testent le matériau à certaines températures. L'exigence est que l'aciérie, dans ce cas ArcelorMittal, teste jusqu'à un quart de l'épaisseur de la tôle. Les tests à l'usine ont été effectués sur des échantillons de 1 po dans le matériau. Les rapports d'essais certifiés de l'usine indiquent que le matériau répondait aux spécifications, a déclaré une source proche de l'enquête.

Herrick confirme. La plaque de 4 pouces provenait de l'usine de Coatesville d'ArcelorMittal. Il a été certifié conforme à A572 13a Grade 50 type 2 et a été testé CVN à +70F.

Mais les CVN de LPI, à divers endroits et à différentes températures, sont partout, dit la source. Et 2 pouces plus bas, le matériau était "super cassant". Le matériau répondait aux spécifications, alors peut-être que les spécifications devraient être modifiées, suggère la source. "Si vous voulez une résistance à la rupture plus élevée au milieu, vous devez le demander", dit-il.

Au cours de sa présentation, Vecchio a montré des images agrandies de fissures microscopiques dans une caractéristique qu'il a décrite comme un trou d'accès à la soudure. "Il a expliqué que ces fissures se sont élargies pendant le processus de soudage et sont devenues les points d'initiation des ruptures fragiles qui se sont produites quelque temps après la mise en service des poutres", explique Robert Hazleton, président de Herrick.

"Il est important que le public sache que les fissures microscopiques sont normales et attendues dans les opérations de découpe thermique des tôles fortes", explique Hazleton.

Les WAH se produisent dans des zones de contraintes concentrées, par conséquent, le code exige un meulage après coupe thermique dans ces zones spécifiques sur des sections lourdes. Ensuite, le code impose des tests non destructifs après meulage, poursuit-il.

Le code exige également que les WAH aient une certaine taille et forme pour minimiser les concentrations de contraintes. "Ces trous ne correspondent pas à la taille et à la forme d'un trou d'accès de soudure", explique Hazleton, c'est pourquoi ils n'ont pas été meulés ni soumis à des tests non destructifs.

Hazleton donne deux autres raisons pour lesquelles ils ne sont pas des WAH : ils étaient situés dans la bride au lieu de l'âme et ils n'étaient pas tenus d'accéder à une soudure.

La forme, la taille et les exigences de finition du WAH sont toutes dictées par l'American Institute of Steel Construction (AISC) "Specification for Structural Steel Buildings (AISC 360-10)", Chapitre J, Section 1.6 : "Le trou d'accès doit avoir une longueur à partir de la pied de la préparation de soudure pas moins de 1 ½ fois l'épaisseur du matériau dans lequel le trou est fait, ni moins de 1 ½ po."

Une fois le joint terminé sur ces poutres, il restait des trous de 2 po x 4 po dans les semelles inférieures, un de chaque côté de l'âme. "Si nous suivions le texte ci-dessus, les trous dans la bride seraient de 2 po x 12 po", explique Hazleton.

Le commentaire sur J1.6 propose trois exemples de trous d'accès aux soudures dont celui requis pour les formes composées. Le code et le commentaire ne traitent que des trous d'accès de soudure découpés dans l'âme des éléments structuraux, et non dans la bride.

"Les professionnels du code et de la fabrication, ainsi que l'inspecteur dans ce cas précis, ne reconnaîtraient pas ces trous comme des trous d'accès à la soudure et, en tant que tels, ne reconnaîtraient pas la nécessité d'un meulage", déclare Hazleton.

Les experts en soudure et l'AISC s'accordent à dire que les trous en question ne sont pas des WAH, comme présenté dans la spécification AISC.

Avec des matériaux épais, il est nécessaire de disposer de règles plus claires sur ce qui doit être meulé après la découpe thermique. "Il y a une ambiguïté maintenant", assure la source proche de l'enquête.

Hazleton souligne également qu'il n'y a pas de trous dans la bride adjacente au support indiqué sur les documents de conception.

"Les brides font tout le travail", déclare un autre observateur expert, qui refuse d'être identifié. « Couper le matériau des brides n'est pas une chose intelligente à faire », que ce soit pour la fente de suspension ou pour les terminaisons de soudure, ajoute-t-il. "Et si vous deviez percer un trou, il y a de meilleures façons de le faire", dit-il.

Sur le dessin d'atelier P537BB, daté du 24 septembre 2014, TT a noté la nécessité d'un trou d'accès à la soudure dans l'âme, en ajoutant "MISSING WAH. (TT)", avec une flèche pointant vers l'âme, juste au-dessus de l'emplacement des fentes de suspension à travers la bride. P537BB a été approuvé comme indiqué.

Par la suite, la RFI 978 a été émise le 2 décembre 2014 par Skanska à Webcor/Obayashi. Il a suggéré que l'emplacement du WAH était erroné et que des trous étaient nécessaires dans la bride pour cette application.

La note sur la RFI, vraisemblablement offerte par le détaillant d'acier Candraft, travaillant pour Skanska, a déclaré: "On ne sait pas ce que l'on entend par ce commentaire d'approbation. Un WAH n'est pas requis dans la plaque verticale de 4" mais il semble que des WAH soient nécessaires là où la soudure [pénétration complète du joint] pour les plaques de bride de 4" se termine à la plaque verticale de 4". Veuillez vous référer au détail 9/S1-5026 et fournir les dimensions des WAH si nécessaire."

La réponse RFI de Webcor indiquait que le dimensionnement du WAH à cet emplacement était un problème de moyens et de méthodes et devait être exécuté conformément à l'AWS D1.1 de l'American Welding Society. TT a ajouté : "Nous ne sommes pas d'accord avec le motif de la demande : informations insuffisantes. Nous catégorisons cette demande d'informations comme une clarification des moyens et des méthodes et appelée sur les documents contractuels."

Cela soulève un certain nombre de drapeaux rouges, dit Hazleton. Les dimensions WAH ont un impact direct sur le niveau de concentration des contraintes à cet endroit. Ces dimensions sont dictées par le code lors de la conception d'un WAH et ne sont certainement pas une question de moyens et de méthodes, ajoute-t-il. Hazleton suggère que les coupes sont des trous de terminaison de soudure, comme le suggère la RFI.

"C'est un détail unique qui nécessite un trou qui n'est pas couvert par le code", dit-il. "Ces trous nécessitaient des dimensions et des exigences de finition à prendre en compte par l'équipe de conception et détaillées dans les documents contractuels."

Toutes les parties impliquées, y compris TJPA, ont refusé de commenter en détail au-delà de ce qui figurait dans la réponse à la DDR, jusqu'à ce que l'enquête soit terminée.

La chronologie et la séquence de fabrication sont importantes pour comprendre pourquoi les poutres de la première rue ne se sont pas fracturées, selon des sources. Herrick a fabriqué les deux poutres de First Street, y compris les soudures à pleine pénétration, avant de couper thermiquement les encoches dans les semelles. Hazleton explique qu'en mars 2015, l'inspecteur, armé de la RFI sur les WAH, a ordonné à Herrick de couper les encoches dans les poutres déjà fabriquées de First Street. Herrick s'exécuta, sans meuler ni polir.

Peu de temps après, Herrick a reçu un dessin d'atelier révisé(voir image pop-up, à gauche), datée du 4 avril 2015, montrant des "coupures" dans les semelles inférieures. Pour les poutres Fremont, le fabricant a procédé à la découpe des encoches avant de souder les semelles inférieures.

Les poutres de First Street avaient la même conception de connexion, le même matériau et aucun meulage des trous, explique Engelhardt. La seule différence était qu'à First Street, les trous étaient coupés thermiquement après que le soudage à pénétration complète ait été effectué.

Lorsque les poutres de Fremont se sont fracturées, ce qui, selon certains, aurait pu se produire en juillet, il y a eu une redistribution soudaine des forces qui auraient pu endommager les connexions d'extrémité des poutres à leurs colonnes. Le panneau MTC peut effectuer des calculs pour déterminer si quelque chose est surchargé en raison de l'énergie libérée.

Le comité MTC examine également d'autres éléments structurels avec des plaques lourdes pour déterminer si les conditions pourraient être favorables à une rupture fragile, explique Engelhardt.

Bien qu'il y ait beaucoup de travail d'examen à faire, il y a une compréhension suffisante de la cause des fractures pour procéder aux réparations, ajoute-t-il. Plus tôt ce mois-ci, TT a soumis un schéma de réparation de boulons uniquement pour examen par le MTC, que le panel soutient généralement. Le correctif contournerait les régions de fracture, où les éprouvettes ont été retirées, en prenant en sandwich les brides, des deux côtés de l'âme, entre des attelles en acier de 14 pieds de long.

La TJPA prévoit de fournir une mise à jour sur le plan de réparation et l'enquête lors de sa prochaine réunion du conseil d'administration, prévue le 10 janvier.

Nadine M. Post, rédactrice en chef d'ENR pour la conception et la construction de bâtiments, est une journaliste primée avec plus de 40 ans d'expérience couvrant les tendances, les problèmes, les innovations et les projets stimulants liés aux bâtiments. Post a écrit sur de nombreux géants de l'industrie, dont neuf lauréats du prix d'excellence ENR. Et elle a couvert des catastrophes, des échecs et des attaques, y compris l'attentat à la bombe de 1993 et ​​la destruction du World Trade Center en 2001. Un échantillon des histoires de projets de Post comprend le réaménagement du World Trade Center; le Burj Khalifa de 828 mètres de haut ; la salle de concert Disney de Los Angeles ; et Seattle's Experience Music Project, Central Library, Bullitt Center et Rainier Square Tower. En 1985, Post a écrit le livre de McGraw-Hill Restoring the Statue of Liberty (1986) pour les architectes de la restauration - Richard S. Hayden et Thierry W. Despont.