Κτιριακά μοντέλα πληροφοριών για εκτίμηση ζημιών, κόστους και χρονικής διάρκειας μετασεισμικής αποκατάστασης κτιρίων από οπλισμένο σκυρόδεμα

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής, αποτελεί η εξέλιξη της μεθοδολογίας Σεισμικής Μηχανικής Βάσει Επιτελεστικότητας για την αυτόματη και ολοκληρωμένη εκτίμηση σεισμικών βλαβών, κόστους και χρονικής διάρκειας μετασεισμικής αποκατάστασης κτιρίων, μέσω της ανάπτυξης κτιριακών μοντέλων πληροφοριών. Παράλληλα, αναπτύσσεται λογισμικό, βασισμένο στη διασύνδεση του πλαισίου εκτίμησης σεισμικών βλαβών το οποίο έχει αναπτυχθεί από το Pacific Earthquake Engineering Research (PEER) Center, με γλώσσα προγραμματισμού τέταρτης γενιάς, σχεσιακές βάσεις δεδομένων και εργαλεία διαχείρισης κατασκευαστικών έργων. Μέσω της διαδικασίας αυτής, παρέχεται πλήρης εκτίμηση της συμπεριφοράς έξι κτιρίων από οπλισμένο σκυρόδεμα για συγκεκριμένα επίπεδα σεισμικής έντασης και για δεδομένα ζεύγη επιταχυνσιογραφημάτων στις δύο οριζόντιες διευθύνσεις. Η πολύπλοκη αυτή διαδικασία βασίζεται στην ανάπτυξη κτιριακών μοντέλων πληροφοριών, μέσω των οποίων παρέχεται τρισδιάστατη ψηφιακή αναπαράσταση των φυσικών χαρακτηριστικών κάθε κτιρίου. Οι γεωμετρικές ιδιότητες των δομικών στοιχείων κάθε κτιρίου, και συγκεκριμένα των υποστυλωμάτων, των δοκών, των τοιχοπληρώσεων, των πορτών και των παραθύρων, συνδυάζονται με τα αποτελέσματα των δομικών αποκρίσεων κάθε κτιρίου όπως προκύπτουν από μια σειρά μη γραμμικών δυναμικών αναλύσεων για τριάντα-εννέα ζεύγη επιταχυνσιογραφημάτων σε είκοσι-δύο επίπεδα έντασης. Μέσω της εξαγωγής των αντιστοιχούντων πιθανοτικών κατανομών και της αναπαραγωγής των κατάλληλων καμπυλών τρωτότητας γίνεται προσομοίωση όλων των πιθανών σεναρίων βλαβών. Αποτέλεσμα των αριθμητικών αυτών υπολογισμών, αποτελεί η τρισδιάστατη απεικόνιση των ζημιών που παθαίνουν τα δομικά στοιχεία κάθε κτιρίου όπως επίσης και ο υπολογισμός του κόστους αποκατάστασης ανά στοιχείο, ομάδα στοιχείων, όροφο και κτίριο σε διάφορα επίπεδα έντασης. Συνεκτιμώντας την επιστημική αβεβαιότητα στις χρησιμοποιούμενες τιμές, επιτυγχάνεται ο προσδιορισμός όχι μόνο της κεντρικής τιμής αλλά και της διασποράς του ζητούμενου κόστους επισκευής. Επιπρόσθετα, μέσω της σχεδίασης μιας αυτοματοποιημένης βάσης δεδομένων και της διασύνδεσής της με λογισμικό χρονοπρογραμματισμού, γίνεται κατηγοριοποίηση των δομικών στοιχείων κάθε κτιρίου, αναλόγως της κατάστασης ζημιάς τους, σε πρωτόκολλα ταξινόμησης εργασιών με ανάθεση συγκεκριμένων δραστηριοτήτων επισκευής και συνεργείων αποκατάστασης καθορισμένης παραγωγικότητας. Ως αποτέλεσμα του χρονοπρογραμματισμού των εργασιών, εκτιμάται η χρονική διάρκεια αποκατάστασης και κατ’επέκταση το κόστος λόγω εκκένωσης και μη χρήσης όλων των υπό μελέτη κτιρίων. Εν τέλει, επιτυγχάνεται ο εμπλουτισμός κάθε τρισδιάστατου κτιριακού μοντέλου πληροφοριών, με δεδομένα για τις ζημιές των δομικών στοιχείων, το αναμενόμενο κόστος και τη χρονική διάρκεια αποκατάστασης μετά από ένα σεισμό. Συνεπώς, παρέχεται η δυνατότητα σε μηχανικούς και εργολάβους, να δημιουργήσουν μια ολοκληρωμένη εικόνα για τη σεισμική συμπεριφορά ενός κτιρίου από οπλισμένο σκυρόδεμα, η οποία γίνεται εύκολα κατανοητή από μη μηχανικούς ιδιοκτήτες, πελάτες ή μετόχους. Στο σύνολό της, πρόκειται για μια πρακτική και χρήσιμη μέθοδο για Σεισμική Μηχανική βάσει Επιτελεστικότητας η οποία μπορεί εύκολα να αποτελέσει τη βάση νέων λογισμικών δομικής ανάλυσης. Η επιστημονική πρωτοτυπία της παρούσας διατριβής συναντάται στην αξιοποίηση κτιριακών μοντέλων πληροφοριών, στην τρισδιάστατη απεικόνιση των ζημιών και στη διαδικασία υπολογισμού του κόστους και της χρονικής διάρκειας επισκευής κτιρίων. Η καινοτομία η οποία παρέχεται, εστιάζεται κυρίως στην αξιοποίηση της Ανάλυσης Δυναμικής Αντίστασης, μέσω της οποίας επιτυγχάνεται η ανάπτυξη ενός γενικού πλαισίου εκτίμησης του κόστους και της χρονικής διάρκειας αποκατάστασης ενός τυπικού κτιρίου από Ο/Σ αναλόγως της έκτασης και των μέγιστων ανηγμένων σχετικών μετατοπίσεων των ορόφων του. Μέσω της νέας αυτής πρακτικής η οποία προτείνεται, καθίσταται εφικτή η πλήρης και γρήγορη εκτίμηση του κινδύνου που ζητείται να αναλάβει ο ιδιοκτήτης ενός κτιρίου, σε δομικούς, οικονομικούς και χρονικούς όρους.

Subject of this thesis, is the development of a methodology for Performance-Based Earthquake Engineering for the integrated and automated seismic damage assessment, cost estimating, scheduling and three-dimensional visualizations for post-earthquake building rehabilitation. The methodology relies on the development of software based on the integration of tools currently available to the Architectural, Engineering and Construction industry such as a fourth-generation programming language, a relational database management system and construction management tools within the framework for seismic damage assessment developed by the Pacific Earthquake Engineering Research (PEER) Center. This process provides automated generation of three-dimensional damage assessment visualizations, cost estimation and schedule-of-work sequences for reinforced concrete moment-frame buildings with one, two and four stories for specified levels of seismic intensity and given ground motion sets. This complicated process is based on the development of building information models which provide three-dimensional digital representation of each building’s physical characteristics. The geometric properties of each building’s structural elements, namely the columns, beams, walls, doors and windows are combined with the structural response of each building, resulting from a series of non-linear dynamic analyses for thirty-nine given ground motion sets in twenty-two specified levels of seismic intensity. Through the combination of the extracted probabilistic distributions with the appropriate vulnerability curves, all possible damage scenarios are simulated. These numerical calculations provide the ability for three-dimensional damage assessment visualizations for all the structural elements of each building, as well as, repair cost estimation per element, element group, story and building at different intensity levels. Considering the epistemic uncertainty in the unit prices, the complete repair cost distribution is determined rather than just its mean value. Additionally, through the design of an automated relational database and its interface with scheduling software, the building assemblies are classified according to their damage state in work breakdown structures (WBS) and being assigned with specific repair activities of fixed productivity. As a result of the time scheduling, the rehabilitation time and hence loss-of-use cost is estimated. Ultimately, the building information models are enhanced with data about the assemblies’ damage state, the expected rehabilitation costs and scheduling of work in the aftermath of an earthquake. Hence, engineers and developers have the unique opportunity to create a holistic picture of any RC moment-frame building’s seismic behavior, which is easily comprehensible by non-engineer owners, customers or shareholders. On the whole, it is a practical and useful method for Performance-Based Earthquake Engineering that can easily form the basis for new structural analysis software. The scientific novelty of this thesis stands in the use of building information models, on three-dimensional damage assessment visualizations and on the rehabilitation cost estimation and time scheduling procedure. The provided innovation is mainly focused on the utilization of Incremental Dynamic Analysis (IDA) for the development of a general framework for assessing the rehabilitation cost and time of any typical RC moment-frame building depending on its stories’ interstory drift ratio (IDR) and area. This proposed new practice offers a realistic and comprehensive assessment of the risk that the building owner will be asked to undertake in the aftermath of an earthquake.