Automatic classification of earthquake - induced building damages
Authors: Βροχίδου Ελένη 
Published: September 2021

H Σεισμική Μηχανική στοχεύει στην ανάπτυξη τεχνικών που σκοπό έχουν να αποτρέψουν τις βλάβες στη περίπτωση ενός ασθενούς σεισμού και να προλάβουν τις σοβαρές ζημιές ή την κατάρρευση των κτηρίων στη περίπτωση ενός ισχυρού σεισμού. Η Σεισμική Μηχανική είναι το επιστημονικό πεδίο που ασχολείται με τη μέριμνα για την προστασία της κοινωνίας και του φυσικού και του ανθρωπογενούς περιβάλλοντος από σεισμούς, καθώς και με τον περιορισμό του σεισμικού κινδύνου σε αποδεκτά κοινωνικό-οικονομικά επίπεδα. Ενώ καμία δομή δε μπορεί να είναι απόλυτα απρόσβλητη από βλάβες που προκαλούν οι σεισμοί, ο στόχος του σχεδιασμού της Σεισμικής Μηχανικής είναι να υλοποιήσει δομές που να συμπεριφέρονται καλύτερα κατά τη διάρκεια της σεισμικής δραστηριότητας σε σχέση με τις αντίστοιχες συμβατικές. Η μετασεισμική εκτίμηση βλαβών έχει αποκτήσει μεγάλη σπουδαιότητα κατά τις τελευταίες δεκαετίες. Η αποτίμηση της σεισμικής συμπεριφοράς των κτηρίων είναι ένα ισχυρό εργαλείο για τη Σεισμική Μηχανική, η οποία χρησιμοποιεί λεπτομερή μοντελοποίηση των δομών σε συνδυασμό με μεθόδους δομικής ανάλυσης με σκοπό την καλύτερη κατανόηση της σεισμικής συμπεριφοράς των κτηρίων. Προκειμένου να γίνει εκτίμηση της δομικής βλάβης σε κτήρια, πρέπει να οριστούν πρώτα κάποια αξιόπιστα κριτήρια της βλάβης. Τέτοια κριτήρια είναι οι δείκτες που περιγράφουν τις πιθανές βλάβες του σεισμού και οι σεισμικές παράμετροι που περιγράφουν τη σεισμική ένταση. Επιπλέον, αυτές οι σεισμικές παράμετροι θα πρέπει να είναι στενά συνυφασμένες με τους δείκτες βλάβης. Η συσχέτιση των σεισμικών παραμέτρων με τα πραγματικά επίπεδα της βλάβης είναι ένα αντικείμενο μελέτης που εμπλέκει πολλές παραμέτρους. Διάφορες σεισμικές παράμετροι έχουν προταθεί για την αναπαράσταση της δριμύτητας των σεισμικών σημάτων. Ένας μεγάλος αριθμός ερευνών που έχουν πραγματοποιηθεί σχετικά με τη συσχέτιση της σεισμικής έντασης και των βλαβών σε κτήρια, έχουν αποκαλύψει την αδυναμία να περιγραφούν οι πιθανές βλάβες με τις υπάρχουσες παραμέτρους. Επιπρόσθετα, η έλλειψη σεισμικών καταγραφών σε ορισμένες περιοχές λόγω περιορισμένης χρηματοδότηση στον τομέα της αντισεισμικής έρευνας, δημιουργεί ένα επιπλέον πρόβλημα στην ανάπτυξη αυτόματων μεθόδων εκτίμησης των βλαβών. Η ύπαρξη καταγραφών ισχυρών σεισμικών σε περιοχές που παρουσιάζουν ενδιαφέρον, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία προγραμμάτων προσομοίωσης με ρεαλιστικά μοντέλα και έτσι να μπορούν να περιγραφούν οι συνέπειες της σεισμικής δόνησης σε συγκεκριμένες κατασκευές της υπό εξέταση περιοχής.Η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι μια προσπάθεια να επιλυθούν τα προαναφερθέντα προβλήματα και να εκτιμηθεί η τρωτότητα των κτηρίων από οπλισμένο σκυρόδεμα, με βάση ευφυείς τεχνικές. Στο πρώτο στάδιο αυτής της προσπάθειας, το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην παραγωγή τεχνητών επιταχυνσιογραφημάτων. Στο δεύτερο στάδιο, προτείνεται ένα νέο σύνολο σεισμικών παραμέτρων. Τέλος, όλα τα ανωτέρω ευρήματα συνδυάζονται και δοκιμάζονται πάνω σε μοντέλα αυτόματης εκτίμησης βλαβών. Τεχνητά επιταχυνσιογραφήματα συμβατά με το φάσμα απόκρισης, χρησιμοποιούνται ευρέως στη δυναμική ανάλυση, αντί των φυσικών σεισμικών καταγραφών. Στη παρούσα εργασία αναπτύσσονται τέσσερις διαφορετικές μεθοδολογίες για την παραγωγή τεχνητών σεισμογραφημάτων. Κάθε μια από τις προτεινόμενες μεθόδους αποτελεί μια παραλλαγή και βελτιωμένη έκδοση της προηγούμενης. Η καινοτομία στις προτεινόμενες μεθοδολογίες είναι ότι όλες βασίζονται στον προσφάτως εισαχθέν μετασχηματισμό Hilbert-Huang (ΗΗΤ), ο οποίος έχει αποδειχτεί ότι είναι μια αποτελεσματική τεχνική για την ανάλυση μη σταθερών και μη γραμμικών σημάτων, όπως είναι τα σεισμικά σήματα. Όλες οι προαναφερθείσες μέθοδοι για τη παραγωγή τεχνητών επιταχυνσιογραφημάτων βασίζονται σε συμβατικές τεχνικές επεξεργασίας σήματος, όπως είναι ο μετασχηματισμός Fourier και τα Wavelets. Αν και η ανάλυση Fourier είναι αναμφίβολα ένα ισχυρό μαθηματικό εργαλείο, η αποτελεσματικότητά του έγκειται στο είδος των δεδομένων που αναλύονται. Η ανάλυση Fourier απαιτεί την εκπλήρωση δυο προϋποθέσεων: γραμμικότητα του συστήματος και μη στασιμότητα των αναλυόμενων σημάτων. Ως εκ τούτου, η ανάλυση Fourier είναι ένα ανεπαρκές εργαλείο για την ανάλυση μη στάσιμων και μη γραμμικών σημάτων όπως είναι οι σεισμικές καταγραφές. Τα Wavelets λαμβάνουν υπόψη τα μη γραμμικά και μη σταθερά χαρακτηριστικά των σεισμικών σημάτων. Ωστόσο, και αυτή η προσέγγιση έχει περιορισμένη αποτελεσματικότητα λόγω του ορισμού της μητρικής συνάρτησης των κυματιδίων η οποία οδηγεί σε φτωχή κατανομή ενέργειας-συχνότητας-χρόνου. Στον ΗΗΤ η εξαγωγή των συνιστωσών βασίζεται στα τοπικά χαρακτηριστικά του σήματος. Στην πρώτη προτεινόμενη μέθοδο της παρούσας εργασίας, η χρήση του ΗΗΤ εισάγεται στην παραγωγή τεχνητών επιταχυνσιογραφημάτων. Στη δεύτερη μεθοδολογία μόνο η διάρκεια ισχυρού σήματος του σεισμού αναλύεται περαιτέρω, προκειμένου να εξαλειφθεί ένα αναφερόμενο μειονέκτημα του ΗΗΤ, το φαινόμενο των οριακών συνθηκών (end effects). Η τρίτη μέθοδος, χρησιμοποιεί μόνο τις κατάλληλες συνιστώσες του μετασχηματισμού ΗΗΤ, που σχετίζονται με την ιδιοπερίοδο των αστικών κατασκευών, οι οποίες επηρεάζουν το φάσμα απόκρισης της κατασκευής. Επιπλέον είναι μια μέθοδος μη επαναληπτική, εν αντιθέσει με όλες τις άλλες προτεινόμενες μεθόδους. Στην τελευταία προτεινόμενη μεθοδολογία, χρησιμοποιείται η συμπληρωματική συνολική εμπειρική μέθοδος διάσπασης (CEEMD) για να επιλύσει αποτελεσματικά ένα πρόσθετο μειονέκτημα του ΗΗΤ, που είναι το φαινόμενο ανάμειξης των αρμονικών αποσύνθεσης (mode-mixing), το οποίο δεν έχει αντιμετωπιστεί σε καμία από τις προαναφερθείσες προσεγγίσεις. Από τα παραγόμενα σεισμικά σήματα, εξάγεται ένα σύνολο από γνωστές σεισμικές παραμέτρους. Αποδεικνύεται ότι όλες οι εξαγόμενες παράμετροι από τα τεχνητά σεισμογραφήματα παρουσιάζουν τον ίδιο βαθμό αλληλεξάρτησης με τους δείκτες βλάβης, ακριβώς όπως τα φυσικά σεισμογραφήματα. Με αυτό τον τρόπο αποδεικνύεται ότι τα τεχνητά επιταχυνσιογραφήματα εμφανίζουν την ίδια συμπεριφορά όπως και τα φυσικά. Για να ποσοτικοποιηθεί η αποτελεσματικότητα των μεθόδων, πραγματοποιείται σύγκριση τους με δυο κλασσικές μεθόδους για παραγωγή τεχνητών επιταχυνσιογραφημάτων, με τα προγράμματα SIMQKE και SeismoArtif. Όλες οι μεθοδολογίες αποδεικνύεται ότι είναι αποτελεσματικές, δεδομένου ότι παράγουν επιταχυνσιογραφήματα που: 1) παρουσιάζουν υψηλή συμβατότητα με το επιθυμητό φάσμα απόκρισης, 2) είναι ανομοιόμορφα στο πεδίο του χρόνου εφόσον δεν ελέγχονται από προκαθορισμένες περιβάλλουσες αλλά βασίζονται στα τοπικά χαρακτηριστικά του σήματος, 3) ακολουθούν τους περιορισμούς του Ευρωκώδικα 8 και τα φάσματα απόκρισης των παραγόμενων σημάτων ακολουθούν το επιθυμητό φάσμα απόκρισης σε όλες τις περιόδους. Έχοντας αντιμετωπίσει το πρόβλημα της χαμηλής διαθεσιμότητας σε σεισμογραφήματα εισόδου για δυναμική ανάλυση, η έρευνα επεκτείνεται στην εξαγωγή νέων σεισμικών παραμέτρων, οι οποίες είναι σε θέση να αντικατοπτρίζουν αποτελεσματικά την πιθανή σεισμική βλάβη. Μέχρι σήμερα έχει προταθεί ένας μεγάλος αριθμός σεισμικών παραμέτρων έντασης. Ωστόσο, τα σεισμικά σήματα είναι πολύπλοκα φυσικά φαινόμενα και οι υφιστάμενες σεισμικές παράμετροι δεν επαρκούν για την περιγραφή και την αξιολόγηση των πιθανών βλαβών. Η καινοτομία των προτεινόμενων σεισμικών παραμέτρων έγκειται στο γεγονός ότι συνδέονται με τη διαχεόμενη ενέργεια και το συχνοτικό περιεχόμενο του σεισμικού σήματος. Επιπλέον προτείνεται ένας νέος ορισμός για τη διάρκεια ισχυρής κίνησης του σεισμού, η οποία σχετίζεται άμεσα με την εξέλιξη της επαγόμενης βλάβης στην εξεταζόμενη κατασκευή. Για την εξαγωγή των νέων σεισμικών παραμέτρων χρησιμοποιούνται ο ΗΗΤ και η συνολική εμπειρική μέθοδος διάσπασης (EEMD). Δεδομένου ότι η υπεροχή του ΗΗΤ έχει ήδη σημειωθεί, η εισαγωγή του EEMD επιλύει επιπρόσθετα το φαινόμενο ανάμειξης των αρμονικών αποσύνθεσης, το οποίο δεν έχει ληφθεί υπόψη σε καμία από τις προηγούμενες προσεγγίσεις για εξαγωγή σεισμικών χαρακτηριστικών. Για αυτό το λόγο, πραγματοποιείται μια ανάλυση του σήματος στο πεδίο χρόνου-συχνότητας, μόνο σε μια συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων που ορίζεται από τη νέα διάρκεια σεισμικής κίνησης, ούτως ώστε να εξαχθούν οι προτεινόμενες σεισμικές παράμετροι. Η ανωτέρω ανάλυση πραγματοποιείται μόνο σε εκείνες τις συνιστώσες του σήματος που σχετίζονται με την ιδιοπερίοδο της υπό εξέταση δομής και συνεπώς έχουν άμεσο αντίκτυπο στις προκύπτουσες βλάβες. Η μελέτη συσχέτισης που διεξάγεται αποδεικνύει ότι οι εξαγόμενες σεισμικές παράμετροι σχετίζονται ισχυρά με τη δομική βλάβη. Επομένως, οι νέες σεισμικές παράμετροι έντασης, συνιστούν ένα αποτελεσματικό σύνολο δεδομένων το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αναπαραστήσει τη σεισμική ένταση των σεισμογραφημάτων σε ευφυή συστήματα για την εκτίμηση των δομικών βλαβών.Η προαναφερθείσα έρευνα αποτελεί ουσιαστικά την προεργασία για τη δημιουργία ενός μοντέλου για την εκτίμηση των δομικών βλαβών. Έχοντας διαθέσιμα τεχνητά επιταχυνσιογραφήματα κάθε επιθυμητής έντασης, σε συνδυασμό με ένα αποτελεσματικό σύνολο σεισμικών παραμέτρων στενά συνυφασμένων με τη δομική βλάβη, η έρευνα ολοκληρωνεται με την εφαρμογή κατάλληλου συστήματος για την εκτίμηση δομικών βλαβών. Όλες οι εξαγόμενες σεισμικές παράμετροι και οι δείκτες βλάβης αναφέρονται σε ένα συγκεκριμένο μοντέλο από οπλισμένο σκυρόδεμα που χρησιμοποιείται σε όλη την εργασία. Ωστόσο η μεθοδολογία της παρούσας έρευνας είναι δομημένη με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι γενικής φύσεως, δηλαδή σε μορφή που την καθιστά έτοιμη να εφαρμοστεί και σε διαφορετικές δομές, με ελάχιστες τροποποιήσεις.Για την αυτόματη ταξινόμηση δομικών βλαβών, δοκιμάζονται τέσσερα μοντέλα. Αρχικά παρουσιάζεται ένα προσαρμοστικό νεύρο-ασαφές μοντέλο (ANFIS). Ως δεδομένα εισόδου χρησιμοποιούνται είκοσι κλασσικές σεισμικές παράμετροι που προκύπτουν από διακόσια τεχνητά σεισμογραφήματα με γνωστή καταστρεψιμότητα. Ως έξοδος του μοντέλου επιλέγονται δυο ευρέως χρησιμοποιούμενοι δείκτες βλάβης: 1) η μέγιστη ανηγμένη σχετική μετακίνηση των ορόφων (MISDR) και 2) ο ολικός δείκτης βλάβης κατά Park/Ang (DIG,PA). Άγνωστα επιταχυνσιογραφήματα δοκιμάζονται και κατατάσσονται σε τέσσερις κατηγορίες βλάβης με τη βοήθεια του ANFIS μοντέλου, με σωστά ποσοστά ταξινόμησης ίσα με 90% και 87%, όταν ως κριτήριο για την δομική βλάβή χρησιμοποιούνται ο MISDR και ο DIG,PA, αντίστοιχα. Επιπλέον, πραγματοποιείται μια διαδικασία επιλογής χαρακτηριστικών. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η μείωση του αριθμού των σεισμικών παραμέτρων σύμφωνα με τη σχέση τους με τον MISDR, δεν επηρεάζει την αποτελεσματικότητα του μοντέλου.Τα αποτελέσματα ταξινόμησης σε κατηγορίες δεν είναι πάντα αξιόπιστοι δείκτες της μετασεισμικής κατάστασης των κτηρίων. Με την εκτίμηση της βλάβης μόνο μέσω της ταξινόμησης, είναι σύνηθες να αποδίδεται σε γειτονική, λάθος κατηγορία, η βλάβη που ανήκει στα όρια των προκαθορισμένων διαστημάτων. Σκοπός της επερχόμενης πρωτότυπης έρευνας, είναι η ακριβής αριθμητική εκτίμηση του δείκτη βλάβης MISDR μέσω μιας ανάλυσης στο πεδίο του χρόνου-συχνότητας. Εκατό σεισμογραφήματα, φυσικά και τεχνητά. χρησιμοποιούνται προκειμένου να εκπαιδευτούν και να ελεγχθούν τρία ευφυή μοντέλα: 1) ένα ασαφές μοντέλο (FIS) τύπου Mamdani, 2) ένα ασαφές μοντέλο (FIS) τύπου Sugeno και 3) ένα νευρωνικό μοντέλο (ΝΝ). Τα μοντέλα εκπαιδεύονται στο να εκτιμούν την τιμή του MISDR που προκαλείται από ένα συγκεκριμένο σήμα σε μια συγκεκριμένη κατασκευή. Κάθε σεισμικό σήμα εισάγεται σαν είσοδος του μοντέλου μέσω οκτώ προτεινόμενων σεισμικών παραμέτρων. Το προτεινόμενο FIS μοντέλο συνδυάζεται με έναν γενετικό αλγόριθμο (GA), ούτως ώστε να γίνει βέλτιστη ρύθμιση των συναρτήσεων συμμετοχής του (MFs). Τα πειραματικά αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι τα FIS μοντέλα τόσο του τύπου Mamdani, όσο και το τύπου Sugeno, παρουσιάζουν παρόμοια απόδοση στην εκτίμηση της τιμής του δείκτη βλάβης MISDR, δεδομένου ότι, για όλα τα πειράματα, το μέσο τετραγωνικό σφάλμα μεταξύ της εκτιμώμενη τιμής και της πραγματικής τιμής της βλάβης είναι σχεδόν το ίδιο: 0.253 για το μοντέλο FIS τύπου Mamdani και 0.289 για το μοντέλο FIS τύπου Sugeno. Εάν οι εκτιμώμενες τιμές του MISDR ταξινομηθούν σε τέσσερις κατηγορίες βλάβης, επιτυγχάνεται ορθή ταξινόμηση σε ποσοστό ίσο με 91% για το μοντέλο FIS τύπου Mamdani και 87% για το μοντέλο FIS τύπου Sugeno. Για το ίδιο σύνολο επιταχυνσιογραφημάτων και τις ίδιες σεισμικές παραμέτρους εισόδου και εξόδου, αναπτύσσεται επιπλέον ένα NN μοντέλο για την εκτίμηση του δείκτη βλάβης MISDR. Από τα πειραματικά αποτελέσματα, προκύπτει μέσο τετραγωνικό σφάλμα μεταξύ της εκτιμώμενη τιμής και της πραγματικής τιμής του δείκτη MISDR ίσο με 0.128 και ποσοστό ταξινόμησης σε κατηγορίες βλάβης έως και 96%.Συνοψίζοντας, η συμβολή των τεχνικών που παρουσιάζονται είναι ο αριθμητικός υπολογισμός του MISDR χρησιμοποιώντας τα προτεινόμενα μοντέλα, η οποία δεν έχει προηγουμένως αναφερθεί στη βιβλιογραφία. Τα προτεινόμενα μοντέλα είναι σε θέση να αξιολογήσουν τη μετασεισμική κατάσταση των κτηρίων μέσω του υπολογισμού των δεικτών βλάβης, αποφεύγοντας πολύπλοκες και χρονοβόρες διαδικασίες που επιβάλλει μια μη γραμμική δυναμική ανάλυση. Οι προτεινόμενες τεχνικές μπορούν να ανιχνεύσουν με αποτελεσματικότητα και ταχύτητα τον βαθμό της δομικής βλάβης. Η παρούσα μελέτη προτείνει μια πρακτική λύση για τη διαχείριση της μετασεισμικής κατάστασης, καθώς επιτρέπει στις αρμόδιες κρατικές αρχές να εκτιμήσουν τις πιθανές βλάβες από επερχόμενους σεισμούς. Με αυτό τον τρόπο, οι ενέργειες που αφορούν στην αποκατάσταση των δομών και στην παροχή ανθρωπιστικής βοήθειας, μπορούν να κατευθυνθούν αυτόματα κυρίως στις πληγείσες περιοχές, αμέσως μετά την εμφάνιση ενός σεισμού. Συνεπώς, οι προτεινόμενες τεχνικές θα μπορούσαν να αποτελέσουν χρήσιμα εργαλεία για μια on-line εκτίμηση της δομικής βλάβης σε κτήρια, αμέσως μετά την εμφάνιση ενός σεισμού.