Ευφυείς τεχνικές επεξεργασίας σεισμογραφημάτων για ταξινόμηση βλαβών σε δομικές κατασκευές
Authors: Αλβανιτόπουλος Πέτρος-Φώτιος 
Published: August 2021

Τα τελευταία χρόνια το πεδίο της αντισεισμικής μηχανικής έχει προκαλέσει το ενδιαφέρον αρκετών επιστημόνων. Για τη δημιουργία των νέων αντισεισμικών κανονισμών για τις νέες κατασκευές λαμβάνονται υπόψη ολοένα και περισσότερα κριτήρια σχεδιασμού, ενώ παράλληλα επανέρχεται στο προσκήνιο η σημασία της εκτίμησης της σεισμικής τρωτότητας των υφιστάμενων κτιρίων. Αν και η ασφάλεια έναντι της κατάρρευσης παραμένει ο πρώτος στόχος κατά το σχεδιασμό, κεντρικό ρόλο παίζει και η απόδοση των κατασκευών λαμβάνοντας υπόψη λειτουργικά και οικονομικά κριτήρια. Μέχρι σήμερα έχει γίνει σημαντική προσπάθεια για τη βελτίωση των μεθόδων αντισεισμικού σχεδιασμού όχι μόνο για την αποφυγή της κατάρρευσης, αλλά και για τον περιορισμό των βλαβών κατά την εμφάνιση μέτριων σεισμικών διεγέρσεων. Για την υλοποίηση όλων των παραπάνω σκέψεων είναι απαραίτητος ο καθορισμός ποσοτήτων μέτρησης της βλάβης. Μείζον πρόβλημα στη δημιουργία των αντισεισμικών κανονισμών αποτελεί η αξιόπιστη εκτίμηση του δυναμικού καταστροφής των σεισμών. Αν η εκτιμούμενη ένταση μιας σεισμικής δράσης σχεδιασμού είναι αρκετά υπερεκτιμημένη, τότε το κόστος ανοικοδόμησης των νέων κατασκευών και ενίσχυσης των υφιστάμενων μεγαλώνει. Αντίθετα, αν η εκτιμούμενη ένταση είναι υποτιμημένη, τότε μπορεί να προκύψουν μεγάλες καταστροφές και απώλειες ζωών. Για την αποφυγή των παραπάνω περιπτώσεων ένας αξιόπιστος καθορισμός της σεισμικής έντασης θα πρέπει να συνδέεται με τις προκαλούμενες βλάβες στα κτίρια. Εξάλλου, η εκτίμηση της σεισμικής έντασης με τη χρήση των σεισμικών παραμέτρων μπορεί να συντελέσει στη δημιουργία συστημάτων προειδοποίησης για την αποφυγή των δευτερογενών συνεπειών του σεισμού, π.χ. διακοπή παροχής φυσικού αερίου, ενεργοποίηση συστημάτων ασφαλείας σε εργοστάσιο πυρηνικής ενέργειας. Μέχρι σήμερα ένας μεγάλος αριθμός σεισμικών παραμέτρων έχουν προταθεί για την εκτίμηση του σεισμικού κινδύνου και την ταξινόμηση των σεισμικών σημάτων. Οι υπάρχουσες σεισμικές παράμετροι δεν επαρκούν για την περιγραφή και την εκτίμηση του καταστροφικού δυναμικού των σεισμικών διεγέρσεων, καθώς ο σεισμός είναι ένα πολύπλοκο φαινόμενο τόσο κατά την εκδήλωση του όσο και ως προς τις συνέπειες του. Επιπλέον, οι προσπάθειες που έχουν γίνει για τη συσχέτιση της έντασης των σεισμικών διεγέρσεων με τις βλάβες στα κτίρια έχουν φανερώσει την αδυναμία περιγραφής του καταστρεπτικού δυναμικού των σεισμικών διεγέρσεων με τις υφιστάμενες παραμέτρους. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί μία προσπάθεια εξαγωγής σεισμικών παραμέτρων που μπορεί να θεωρηθούν μετρικές του υπολογισμού του καταστρεπτικού δυναμικού των σεισμικών σημάτων. Οι σεισμικές παράμετροι αποτελούν το κύριο εργαλείο για την περιγραφή των χαρακτηριστικών των ισχυρών σεισμών σε συμπαγή και ποσοτική μορφή. Στα χαρακτηριστικά ενός σήματος διακρίνουμε το πλάτος, το περιεχόμενο συχνοτήτων και τη διάρκεια του. Για την εξαγωγή των νέων σεισμικών παραμέτρων η ανάλυση των σεισμικών σημάτων πραγματοποιήθηκε με τη χρήση ενός καινοτόμου μετασχηματισμού (Hilbert-Huang). Γνωρίζοντας την υπεροχή του νέου μετασχηματισμού σε σχέση με τις γνωστές μεθόδους επεξεργασίας των σημάτων (ανάλυση Fourier, wavelet) η αναζήτηση των χαρακτηριστικών προήλθε από την αναπαράσταση του σήματος στο πεδίο του χρόνου-συχνότητας-πλάτους (διακριτό φάσμα Hilbert). Η καινοτομία της παρούσας έρευνας έγκειται στην εξαγωγή σεισμικών παραμέτρων με τη χρήση του μετασχηματισμού Hilbert-Huang και στον καθορισμό εκείνων των συνιστωσών του σήματος που έχουν άμεση επίδραση στις βλάβες των υπό εξέταση κατασκευών. Το πλεονέκτημα της παραπάνω μεθοδολογίας είναι το ότι δεν προϋποθέτει μία a priori υπόθεση για τις συναρτήσεις βάσης. Αντίθετα, οι συνιστώσες εξάγονται από τα χαρακτηριστικά του ίδιου του σήματος. Το γεγονός αυτό είναι αρκετά σημαντικό, καθώς με αυτό τον τρόπο εξάγονται σήματα που έχουν φυσική σημασία. Η επιλογή των συνιστωσών, που είναι υπεύθυνες για τις προκαλούμενες βλάβες, βασίστηκε στην ιδιοσυχνότητα της κατασκευής. Οι νέες σεισμικές παράμετροι εξάγονται από τα υποσήματα που εμφανίζουν συχνότητες που είναι κοντά στην ιδιοσυχνότητα της κατασκευής. Σε αντίθεση με τις διαδεδομένες σεισμικές παραμέτρους που προσδιορίζονται στο πεδίο του χρόνου και εκφράζουν είτε πλάτη είτε ενέργεια, όπως είναι η PGA, PGV, ΙΑ , RMSa , CAV, l FVF , DPAS, Ρ090, Einp, οι νέες παράμετροι ξεχωρίζουν στο ότι το ενεργειακό τους περιεχόμενο συνδέεται σε μια περιοχή συχνοτήτων. Παρουσιάζουν μεγάλη συσχέτιση με τους δείκτες βλάβης PARK/ANG και MISDR. Οι Σ.Σ. κατά Spearman για τις νέες παραμέτρους κυμαίνονται στο διάστημα 0.854-0.901. Ακόμη, αξίζει να σημειωθεί ότι εμφανίζουν μεγαλύτερη συσχέτιση έναντι ορισμένων κλασσικών παραμέτρων, όπως είναι η PGA, ΙΑ , Ρ090, CAV, RMS, DPAS, EPAMAX,SMDTB και η CP. Γνωρίζοντας το σήμα που είναι υπεύθυνο για τις σεισμικές βλάβες, η ερευνητική προσπάθεια προχώρησε ένα βήμα πιο πέρα επιχειρώντας τη βελτίωση και ορισμένων ευρέως διαδεδομένων σεισμικών παραμέτρων. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν ήταν αρκετά ενθαρρυντικά. Σημαντικές παράμετροι που ορίζονταν στο πεδίο του χρόνου και που δεν συνδέονταν με συχνότητες όπως η PGA, ΙΑ , Ρ090/ CAV, και η RMS, παρουσίασαν αισθητή βελτίωση, που έφτασε έως και το 31% στην περίπτωση της PGA. Αντίθετα, ορισμένες παράμετροι όπως η SMD και η CP, που γενικότερα εμφανίζουν μικρή συσχέτιση με τις βλάβες, με τη σύνδεση τους με τις εξεταζόμενες συχνότητες παρουσίασαν ακόμη μικρότερη συσχέτιση. Τα παραπάνω αποτελέσματα οδηγούν στο συμπέρασμα ότι με τη χρήση των σημάτων κοντά στην ιδιοσυχνότητα της κατασκευής πραγματοποιείται μια καλύτερη πόλωση μεταξύ των παραμέτρων που έχουν μικρή και μεγάλη συσχέτιση. Πλην την εξαγωγή των νέων σεισμικών παραμέτρων, η παρούσα έρευνα περιλαμβάνει το σχεδιασμό και υλοποίηση ενός συστήματος εκτίμησης των σεισμικών βλαβών στις κατασκευές από οπλισμένο σκυρόδεμα. Για την αυτοματοποίηση της διαδικασίας εκτίμησης των δομικών, αρχιτεκτονικών, ηλεκτρομηχανολογικών και βλαβών λόγω ανατροπής των αντικειμένων χρησιμοποιήθηκαν τρία διαφορετικά συστήματα. Στο πρώτο στάδιο μελετήθηκε ένα τεχνητό νευρωνικό δίκτυο. Γνωρίζοντας ότι τα νευρωνικά δίκτυα προσπαθούν να βρουν μια σχέση μεταξύ εισόδων και εξόδων, ως είσοδος στο παραπάνω σύστημα χρησιμοποιήθηκε ένα σετ σεισμικών παραμέτρων και ως έξοδος η προκαλούμενη κατηγορία βλάβης. Στη συνέχεια της έρευνας, εξετάσθηκε η συμπεριφορά ενός Νευρο-Ασαφούς ταξινομητή, όπου οι κανόνες συστήματος καθορίστηκαν από το σετ των σεισμογραφημάτων εκπαίδευσης. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων ολοκληρώθηκε με την υλοποίηση ενός συστήματος βασισμένου στις Μηχανές Διανυσμάτων Υποστήριξης. Αρχικά, στα προτεινόμενα συστήματα η περιγραφή των σεισμικών διεγέρσεων έγινε με τη χρήση 20 σεισμικών παραμέτρων. Στη συνέχεια της έρευνας χρησιμοποιήθηκε ένας Γενετικός αλγόριθμος για τη μείωση του αριθμού των σεισμικών παραμέτρων με κύριο σκοπό τη βελτίωση της απόδοσης των τριών ταξινομητών. Η προσπάθεια αυτή απέδωσε και παρατηρήθηκαν υψηλά ποσοστά σωστής ταξινόμησης. Πιο συγκεκριμένα, στην περίπτωση των δομικών βλαβών [MISDR) έφτασαν μέχρι το 90%. Στις δομικές βλάβες, με βάση το δείκτη βλάβης PARK/ANG, επιτεύχθηκε σημαντική βελτίωση με το ποσοστό σωστής ταξινόμησης να φτάνει μέχρι το 85% σε σχέση με το 70% που παρουσίαζαν τα συστήματα με τις 20 σεισμικές παραμέτρους. Προκειμένου να διαπιστωθεί η αξιοπιστία της παραπάνω μεθοδολογίας, τα τρία συστήματα ταξινόμησης εξετάσθηκαν και σε άλλες δύο κατασκευές. Τα αποτελέσματα της παραπάνω δοκιμής έδειξαν πως ανεξαρτήτως της επιλεγόμενης κατασκευής τα τρία συστήματα ταξινόμησης, αφού πρώτα εκπαιδευτούν, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση των σεισμικών βλαβών παρέχοντας υψηλά ποσοστά σωστής ταξινόμησης. Το προτεινόμενο σύστημα των SVMs παρουσιάζει μία επιπλέον δυνατότητα, καθώς είναι σε θέση να ταξινομήσει τα σεισμογραφήματα στις δυο κύριες κατηγορίες παρουσιάζοντας 100% ποσοστό ταξινόμησης. Σε αντίθεση με τις υπάρχουσες μελέτες, τα προτεινόμενα συστήματα εμφανίζουν την ίδια σταθερότητα, καθώς η απόδοση τους δεν εξαρτάται από το ποια κατασκευή εξετάζεται, ενώ παράλληλα σε άγνωστους για αυτούς σεισμούς έχουν καλύτερα αποτελέσματα.