地震损失评估与模拟研究进展85 - 107页|引用作为
TCIP地震灾损评估改进方法(TCIP- dam -2020)
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摘要
震后损害评估一直是世界各地的工程师和当局在灾难性地震后面临的主要挑战之一。考虑到需要检查的建筑物数量和合格检查员人数不足,在此类事件发生后,提供一种彻底、定量和迅速适用的损害评估方法至关重要。在新千年之初,土耳其巨灾保险池(TCIP,在土耳其被称为DASK)开发了一个满足这些需求的评估系统,以评估钢筋混凝土(RC)和砖石结构的损害。自实施以来,该评估方法已在土耳其发生的几次地震中成功应用,如2011年Van地震、2011年Kutahya地震、2019年伊斯坦布尔地震和2020年Elazig地震,以决定受损结构的未来是“修复”还是“拆除”。多年来,针对地震损坏结构的可修复性的研究活动有所增加,这是确定建筑物在地震后的未来的一个有目的的参数。因此,TCIP启动了一个研究项目,其唯一目的是根据最先进的科学研究结果,规范和重新评估损害评估算法。本章介绍了为TCIP (TCIP- dam -2020)开发的钢筋混凝土结构损伤评估方法的新版本。此外,本文还介绍了所开发的损伤评估算法在Kocaeli(1999)地震中钢筋混凝土建筑的应用。
5.1简介
自20世纪后半叶以来,世界各地发生了一些破坏性地震,导致建筑物全部或部分倒塌,并造成大量人员伤亡和负面经济影响(即1940年埃尔森特罗地震,1967年穆杜尔努地震,1985年墨西哥城地震,1995年神户地震,1999年科切利地震,2009年拉奎拉地震,2011年基督城地震,2011年东北地震和2017年普埃布拉地震)。破坏性地震事件后的震后现场调查显示,需要损伤检查的结构数量可能非常多(AIJ/JSCE/JGS)2001;阿尔贝托等。2018;亚历山大2010;Erdik2000;Kazama和Noda2012;马奎斯等人。2017),合格的检验人员数量不足,使得在回归日常生活的道路上,损害评估的执行成为一个巨大的挑战。在灾难性地震之后,需要一种一致的损害评估方法来重建疏散建筑物,以供当地人住宿,并禁止居民进入可能在可能的余震中倒塌的严重受损建筑物。实施一种可靠的方法对于避免不必要地拆除受损结构至关重要,这种拆除会给个人和国家经济带来额外负担。此外,考虑到破坏性地震后需要检查的建筑物数量众多,评估方法需要快速适用和直接。过去在土耳其发生的多次地震(如1995年第纳尔地震、1998年阿达纳地震、1999年科卡利地震和1999年杜兹采地震)的损害评估经验也表明,由于现场评估人员的背景和经验水平不同,如果没有定量和系统的损害评估算法,就不可能进行客观的损害评估和决策。
1999年,地震袭击了土耳其西北部(AIJ/JSCE/JGS2001;Aydan等人。2000),土耳其政府对地震中房屋倒塌或损坏的地震灾民实施了国家援助政策的改变。新规定规定了建筑物的强制地震保险。因此,土耳其巨灾保险池(TCIP)于2000年成立,以执行强制地震保险。2002年,TCIP指定研究人员开发了一种一致的、快速的、易于应用的损害评估方法,以便在地震后受益。因此,一种满足上述可靠损伤评估算法的基本特征的方法被开发出来,用于土耳其使用的两种最常见的结构体系的TCIP (TCIP- dam -2002);钢筋混凝土(RC)和砖石结构,分别(Boduroglu等。2013;Ilki等人。2013).在它的发展过程中,广泛接受的指南中使用的方法,断言震后损害评估的建议实践已经受益(Anagnostopoulos et al。2004;巴乔等人。2007;Grunthal1998;联邦应急管理局306年1998;新西兰地震工程学会(NZSEE)2009;日本和建筑防灾协会(JBDPA)2015).开发的损害评估算法,类似于日本使用的方法(日本和建筑灾害预防协会(JBDPA))2015),根据结构构件在地震作用下退化的剩余耗能能力来确定建筑物的安全性。自其发展以来,已经实施了一些调整和改进,以使该方法更容易应用。例如,2015年,对平面面积小于400米的结构实施了快速检测算法2,地面层以上或刚性地下室层数小于8层的。快速评估方法的主要动机是更快地完成在土耳其建造的常规结构的损害评估。开发的损害评估系统,包括详细和快速的检查算法,已在由不同机构(即环境和城市规划部,TCIP和土耳其土木工程师协会)在土耳其各地(如伊斯坦布尔,安卡拉,伊兹密尔,恰纳卡莱,科卡利,埃拉齐格,马尼萨等)举办的一些教育研讨会上展示。该方法已被TCIP成功应用于土耳其多次地震(包括Van(2011)、Kutahya(2011)、Istanbul(2019)、Elazig(2020)地震)后的地震破坏结构决策过程。通过应用TCIP-DAM-2002获得的经验和现场观察表明,需要一种更快的方法。
近年来,TCIP建立了一种新的行动,改进了损伤评估算法。采取这一行动的一个动机是,如果可能的话,使损害评估框架在不损害可靠性和客观性的情况下更快更容易地应用。另一项鼓励是考虑到在过去二十年中进行的最先进的科学研究,通过修改或进一步验证方法背后的理论,这些研究可在损害评估系统的进一步发展中受益。此外,在过去二十年中,按照容量设计原则设计和详细描述的符合代码的结构的数量也大大增加。除了垂直构件的损伤外,这些结构预计在水平构件中也会出现损伤。因此,需要一种损伤评估方法来考虑梁上形成的损伤。除此之外,相对于机械地确定修复或拆除地震损坏建筑物的限制的评估算法,一种评估和考虑地震后决策中修复应用的经济可行性的新方法将更有益(Ludovico等。2017年,一个,b;Martino等人。2017).通过这样做,算法还应该考虑非结构构件的修复成本,因为事实上,为地震损坏结构的修复应用预留的预算的很大一部分都花在了非结构构件(Cardone和Perrone2017;塔哈维和米兰达2003;维奇奥等人。2018,2020).
根据上述需要,开发了一种新的损害评估方法。从文献中获得的100多个实验测试结果,为该方法所采用的构件损伤极限和损伤修正因子的确定提供了依据。此外,针对不同的损坏情况进行了200多次结构性能分析和80000次成本分析,以确定建筑物损坏类别的限制。在本文中,虽然该方法适用于砖石结构和钢筋混凝土结构,但由于篇幅所限,仅介绍了针对钢筋混凝土结构的损伤评估算法。
5.2TCIP损害评估系统修订版
5.2.1建筑物损坏类别
地震发生后,地震带中的结构会受到不同程度的破坏,这是一个各种参数共同作用的过程,包括结构体系特性、设计和施工误差、地面运动特性和土壤条件等。在震后损伤检查中,应观察地震作用引起的结构损伤,表现为混凝土开裂、压碎或剥落、钢筋断裂或屈曲、水平结构构件下垂、残余漂移、均匀或差别沉降、建筑物倾斜等。损伤评估系统的修订版使用现场观测和简单测量作为输入。然而,在后台,建筑物损伤分类是根据输入数据评估机械和财务可行性标准。修订后的制度规定了六种建筑物损害类别如下。
5.2.1.1未损坏的建筑物
这种损害类别对应于竖向(即柱和剪力墙)或水平(即梁)承重结构构件没有地震损害的情况。但需要强调的是,结构可能存在一些地震作用前形成的损伤,通常是由于时间和环境影响(如腐蚀、收缩、冻融裂缝)或除地震外的其他力学影响(如垂直荷载过大、土体沉降)。建筑保持了震前的性能和容量。
5.2.1.2轻微受损建筑物
在轻微损坏的情况下,构成建筑物结构系统的垂直和水平构件遭受了有限的损坏,损坏的构件要么不需要任何修复,要么需要相对简单的修复应用。非结构元素,如填充墙可能会受到一些损坏,但一般来说,它们很容易修复。建筑主要保留了震前的性能和容量。
来说中度受损建筑物
由于竖向和水平结构构件的损伤,结构的性能和承载力与震前相比会有一定程度的降低。除了结构单元的损伤外,还可以观察到非结构单元的广泛损伤。尽管如此,随着进一步的调查和全面的工程评估,修复和加固建筑在技术上和经济上都是可能的。
5.2.1.4损毁严重的建筑物
在严重受损的建筑物中,结构构件的损坏可能达到严重程度。此外,该建筑的许多非结构构件严重受损。这座建筑可能已经失去了大量的震前性能和容量。由于需要大规模和全面的结构干预,对结构的修复和加固应用在经济上可能远远不可行。因此,对于这些建筑来说,拆除和重建通常是一个更方便的选择。
5.2.1.5急需拆除的建筑物
部分倒塌发生在至少一层的建筑物,或显示出容易观察到的残余位移的建筑物属于这一类。这些建筑物的现有状况对生命和财产安全构成威胁。因此,应该优先拆除这些建筑物。
5.2.1.6倒塌的建筑物
结构体系丧失完整性,建筑物部分或全部倒塌。建筑的垂直和水平承载能力被完全消除。
5.2.2钢筋混凝土构件的损伤类别
垂直和水平钢筋混凝土结构构件的损伤分类是根据本节中定义的规则和限制以及观察到的损伤进行的。在损伤评估算法中定义了五个成员损伤类别。损坏类别的详细情况,其限度见表5.1,在第。5.2.2.1- - - - - -5.2.2.5.
5.2.2.1损坏类别
不考虑环境和时间效应(如腐蚀、蠕变、收缩和非地震地面沉降)引起的损伤,不包含任何地震效应引起的损伤的垂直和水平结构构件被归入O型损伤。
5.2.2.2A类损害类别
5.2.2.3B类损害类别
5.2.2.4C类损害类别
5.2.2.5D类损害类别
5.2.3损伤评估算法
损伤评估算法包括两个阶段的程序;(i)外部评估及(ii)内部评估。评估从外部评估开始。根据建筑物的损坏情况,视察员使用第2节中定义的方法之一进入内部评估阶段。5.2.3.2.
5.2.3.1外部评估
如果主体结构不存在上述损坏情况,并且没有明显的结构和非结构损坏使建筑物进入危险,检查员进入内部评估阶段。在进入建筑物前,检查人员应牢记余震发生的可能性,需要遵循安全措施。
5.2.3.2内部评估
RC构件的损伤限制
伤害类别 |
残余裂缝宽度 |
压缩损伤 |
---|---|---|
O型 |
- - - - - - |
- - - - - - |
输入一个 |
≤0.5毫米 |
- - - - - - |
B型 |
0.5 mm < w≤3mm |
封面破碎 |
C型 |
> 3毫米 |
封面剥落 |
D型 |
- - - - - - |
钢筋屈曲,核心破碎和残余位移 |
快速检验程序
-
垂直结构构件的损伤极限:
B类垂直构件数量小于PA/100,且没有C类和D类垂直构件的情况
B类垂直成员数量大于等于PA/100或C类垂直成员数量至少1个但小于PA/200,且没有D类垂直成员
属于C类的垂直成员数量大于或等于PA/200但小于PA/75且没有属于D类的垂直成员的情况
类别为C型的垂直成员数量大于或等于PA/75或至少有一个类别为D型的垂直成员。
-
水平结构构件的损伤极限:
没有水平成员被归类为类型C或类型D的情况
C型和D型水平结构构件数量至少1个但小于PA/50的情况
C类和D类水平成员数量大于或等于PA/50但小于PA/20的情况
C类和D类水平构件数量大于或等于PA/20的情况。
详细巡检流程
如果主体结构不适合快速检查,则可以适用详细的程序,而不受地基面积或建筑物层数的限制。在本次检查中,垂直构件的加权损伤百分比(WDPVM)和受损水平构件的数量是根据观察到的损伤类别和表中所示的损伤修正量来确定的5.3.在这些因素的测定中,利用了100多个实验测试结果。对应的损坏情况见表5.1,将耗散能与试件的总耗能能力进行比较。表中因素5.3表示结构构件的耗散能量与总耗能能力的比值。
由于实际的考虑和梁尺寸的变化与垂直构件相比相当低的事实,没有计算水平结构构件的加权损伤百分比。考虑第2节中定义的损伤极限,确定C类和D类构件的数量就足够了。5.2.2.
-
垂直结构构件的损伤极限:
WDPVM小于10且没有垂直成员被归为C类或D类的情况
WDPVM大于等于10但小于20或至少有一个垂直成员为C类,没有垂直成员为D类
WDPVM大于等于20但小于40且没有垂直成员的情况为D类
WDOVM大于或等于40或至少有一个垂直成员被分类为D类型。
-
水平结构构件的损伤极限:
没有水平成员被归类为类型C或类型D的情况
C型和D型水平结构构件数量至少1个但小于PA/50的情况
C类和D类水平成员数量大于或等于PA/50但小于PA/20的情况
C类和D类水平构件数量大于或等于PA/20的情况。
5.3案例研究:1999年科卡利地震后结构损坏评估
根据上述TCIP-DAM-2020方法,对1999年Kocaeli地震后调查的地震破坏结构进行了重新评估。有关结构、位置和观察到的损伤的详细信息来自日本建筑研究所2001年的地震报告(AIJ/JSCE/JGS)2001).该建筑由六层组成,由钢筋混凝土垂直和水平结构构件组成。该建筑位于科卡埃利的Degirmendere区,地震发生时正在施工。
结构平面面积小于600m2地面以上的层数小于或等于10层。因此,可以根据快速评估算法进行损伤评估。
外部评估
如图所示。5.7,评估程序从外部评估开始。该结构未表现出部分或全部倒塌,残余漂移大于1%。此外,没有观察到底座大于2°的刚性旋转。外部评估中列出的这些步骤的答案是“否”,因此从外部评估阶段就不能获得建筑物损坏类别为严重损坏或建筑物需要紧急拆除。因此,损害评估程序继续进行内部评估。
内部评估从建筑物中受损最严重的一层开始,在这种情况下是一楼。Kocaeli(1999)地震后,根据1991年版的日本损伤评估指南(日本和建筑灾害预防协会(JBDPA))对结构进行了震后损伤评估。2015),当时在日本实行。2015年版指南(日本与建筑防灾协会(JBDPA)) (2015),在考虑柱和梁的损伤的情况下,考虑完全倒塌机制评估建筑物的震后状况。相反,1991年版本假定软层倒塌机制,仅考虑竖向构件抗剪强度的退化。地震报告(AIJ/JSCE/JGS2001)没有详细说明所有构件的损伤情况(即残余裂缝宽度、覆盖混凝土的破碎等),而是根据1991年日本方法(日本和建筑灾害预防协会(JBDPA))分配的垂直和水平结构构件的损伤类别。2015)。通过考虑日本方法中定义的成员损害类别(日本和建筑灾害预防协会(JBDPA))2015)和TCIP-DAM-2020(表5.1),将报告的构件损伤转化为cipp - dam -2020方法定义的相应构件损伤类别。在图1层平面视图上,不同损伤类别的竖向和水平结构构件用不同颜色强调。5.11.在垂直和水平构件中观察到的结构损伤的代表照片如图所示。5.12.
没有垂直结构构件被归类为D型;因此,该建筑不能直接归类为严重受损。此外,由于结构构件的损坏,该结构不能直接归类为无损结构。因此,损伤类别是通过对具有某些损伤类别的结构构件定义的数量限制来确定的5.2).在第一个故事中,5个垂直的成员被归类为类型C,而被归类为类型C和类型D的水平元素的总数是5个。根据结构的PA (125 m2),竖直和水平构件损坏数量的限制见表5.5.C类损伤的垂直构件数量大于1.67个,C类和D类损伤的水平构件数量在2.5 ~ 6.25个之间。通过交叉垂直和水平构件确定的相应损伤区间,根据cipa - dam -2020进行的损伤评估将建筑物归类为“严重损伤”。地震后,根据1991年版的日本指南,该建筑被归类为“非常严重的破坏”(日本和建筑灾害预防协会(JBDPA))2015).此外,当时建筑的评估是基于EMS-98 (Grünthal1998)。该规范将结构的破坏等级定为3级,对应于“严重破坏”。
5.4结束语
本文介绍了为TCIP开发的新版本损伤评估算法(TCIP- dam -2020)的总体框架。在开发快速和详细的评估算法时,考虑了通过执行200个数值结构性能分析和80,000个维修成本分析获得的观察结果。此外,从文献中获得的100多个实验测试结果也有助于确定代表地震破坏结构构件行为的修正因子。
新算法最重要的改进之一是扩大了快速评估方法的应用领域,使该方法可以应用于土耳其的大部分建筑存量。这种方法可以根据损坏的竖向构件数量和被检查结构的平面面积来确定建筑物的损坏类别,而无需计算竖向构件的损坏百分比。如果受损结构不满足快速评估方法中定义的几何限制,则实施详细方法。此外,在新版本中,无论是快速和详细的方法,如果建筑物至少有一个垂直构件具有D型损坏类别,则可以轻松地确定建筑物的损坏类别为严重损坏或建筑物需要紧急拆除。有了TCIP-DAM-2020,损害评估应用预计将以更快的方式进行,这将使检查人员能够在一定时间内评估更多的地震损坏结构。考虑到需要损伤检查的建筑物数量和地震后缺乏合格人员,这被认为是TCIP-DAM-2020最有益的特点。
新版本的钢筋混凝土结构损伤评估算法的另一个重大改进是将发生在水平结构构件中的损伤纳入建筑物损伤类别的确定。这对于由于城市转型而在建筑存量中所占比例不断增加的符合规范的结构的震后损害评估尤其有益。总而言之,基于广泛的科学背景和实验和数值分析的新的损伤评估算法将能够在不影响客观性和可靠性的情况下更快地进行震后损伤评估。
笔记
确认
值得感谢的是,土耳其巨灾保险池发起了一个研究项目,该项目构成了本文所述工作的基础。作者还想对项目顾问Kutay Orakcal教授、Erdem Canbay教授和Bilge Doran教授对项目的贡献和建设性意见表示感谢。
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