Seismischer Belastungstest für den flächenhaften Baubestand

1) Projekttitel: Seismischer Belastungstest für den flächenhaften Baubestand 2) Projektinhalt Im vorliegenden Projekt wird eine Methode zur seismischen Risikoabschätzung des flächenhaften Baubestands entwickelt, die auf entsprechende Daten der einzelnen Gebäude beruht. 3) Hypothese Die in den letzten Jahren in Italien aufgetretenen Starkbeben (L`Aquila 2009, Emilia-Romagna 2012, Norcia 2016) hatten hunderte Todesopfer und enorme wirtschaftliche Schäden zur Folge. Ähnliche Erdbeben können auch in anderen Teilen Europas auftreten, wobei die Wiederherstellungskosten sehr rasch die Kapazität des betroffenen Staates übersteigen können. Die derzeitige europäische Gesetzgebung ist nicht darauf ausgelegt, die Belastbarkeit (Resilienz) des Gemeinwesens gegen Erdbeben zu erhöhen, da die Sicherheit gegen Erdbebeneinwirkung des einzelnen Gebäudes und des flächenhaften Baubestandes nicht als gekoppeltes Problem gesehen wird. Daraus kann abgeleitet werden, dass die derzeitigen Regeln zum Nachweis der seismischen Belastbarkeit im Widerspruch zur Digitalen Agenda der EU und zu den Richtlinien des Sendai Rahmenplans 2015-2030 zur Verringerung des Risikos der Auswirkungen von Naturgefahren sind. Dieses Problem kann durch Sicherstellung des Informationsflusses von den einzelnen Gebäuden zum flächenhaften Baubestand gelöst werden. 4) Methoden Die systematische Kopplung der beiden Analyseebenen die Ebene der Einzelbauwerke und die Systemebene des flächenhaften Baubestandes wird durch die Entwicklung eines neuartigen Gebäudeinformationsmodells (BIM) erreicht. Dieses Modell enthält alle wesentlichen Daten zur seismischen Kapazität eines jeden Gebäudes. Mit diesen jetzt elektronisch verfügbaren Daten können Berechnungen zum Erdbebenverhalten des flächenhaften Gebäudebestandes vorgenommen werden. Erdbebeninduzierte Beschleunigungen werden mit Hilfe bestehende seismotektonische Modelle simuliert. Die Ermittlung der Erdbebenantwort der einzelnen Gebäude beruht auf vereinfachte nichtlineare Verfahren. Die Ergebnisse werden jedoch kompakt in Form eines seismischen Gebäudebefundes dargestellt. Mit dem vorgeschlagenen probabilistischen Berechnungskonzept werden seismische Gefährdung, Gebäudeantwort, Tragwerksschäden und Verluste in Bezug auf Kosten bzw. Wiederherstellungszeit gekoppelt. 5) Neue Aspekte des Projekts Mit dieser Methode wird es erstmalig möglich sein, das Verhalten des flächenhaften Baubestandes auf ein spezielles Erdbebenereignis zu simulieren, und in weiterer Folge eine flächenhafte seismische Risikoanalyse durchzuführen. Das Problem ist extrem rechenintensiv, kann jedoch durch Verwendung effizienter Berechnungsverfahren durch systematische Kopplung der Berechnung auf der Gebäudeebene und der Ebene des flächenhaften Gebäudebestandes gelöst werden. Die Projektergebnisse haben das Potential in zukünftige Regelwerke zur Verbesserung der Belastbarkeit (Resilienz) des Gemeinwesens auf die Auswirkungen von Erdbeben oder anderen Naturgefahren einzufließen.

In diesem Projekt wurden Grundlagen für eine Methode zur seismischen Risikoabschätzung des flächenhaften Baubestands entwickelt, die auf entsprechenden (jedoch oft nur eingeschränkt verfügbaren) Daten der einzelnen Gebäude (wie Geometrie Materialeigenschaften, Struktur) beruht. Ein Schwerpunkt lag dabei auf der Untersuchung von nichtlinearen statischen Methoden zur seismischen Bewertung von Bauwerken hinsichtlich ihrer Fähigkeit, die Effekte höherer Schwingungsformen sowie die in Verbindung mit Erdbebenanregung auftretenden Stabilitätsprobleme zu erfassen. Auf der Suche nach einer robusten und effizienten Methodik für die seismische Risikobewertung wurde ein effizientes Verfahren zur Auswahl von entsprechenden Sätzen von Erdbebenaufzeichnungen entwickelt, welches die Erdbebengefährdung des Gebäudeportfolios im untersuchten Gebiet abbildet. Dieses Verfahren erfüllt Anforderungen wie spektrale Kompatibilität, Konsistenz der Gefährdungs- und Intensitätsmaße, seismologische und ortsspezifische Kriterien durch Mehrzieloptimierung und basiert auf genetischen Algorithmen. Es ist besonders nützlich für regionale Risikobewertungen von Gebäudeportfolios, da es nicht von spezifischen Gebäudeeigenschaften wie der Grundschwingungsdauer abhängt, so wie bei anderen Auswahlstrategien üblich. Damit können Erdbebenaufzeichnungen aus bis zu drei Komponenten so ausgewählt werden, dass sie vordefinierten spektralen Zielen in Bezug auf Statistiken erster und zweiter Ordnung in einem breiten Periodenbereich entsprechen. Darüber hinaus kann bei der Auswahl die Wahrscheinlichkeitsverteilung in bestimmten Ordinaten des Spektrums miteinbezogen werden, wodurch sich die Anzahl der für seismische Berechnungen erforderlichen Bodenbeschleunigungsaufzeichnungen stark reduziert. Für die regionale Risikobewertung von Gebäudeportfolios wurden alternative Lösungen angestrebt, die zuverlässige Einsturzrisikoabschätzungen mit angemessener Rechenzeit liefern. Zu diesem Zweck wurde die Effizienz und Genauigkeit einfacher maschineller Lernverfahren, wie z. B. der linearen Regression und der logistischen Regression, für die Vorhersage der Einsturzintensität untersucht, mit dem Ziel, als Lösung zu dienen, wenn die verfügbare Dokumentation der bestehenden Gebäude unzureichend ist. Für die Entwicklung und das Testen von maschinellen Lernalgorithmen wurde eine Datenbank des seismischen Antwortverhaltens eines Stahlrahmens entwickelt, die auf insgesamt 17.141 Erdbebenaufzeichnungen beruht. Die Berechnungen lieferten ausgeprägte Muster von Kollapskapazitäten, die sich in Abhängigkeit von der Magnitude der Erdbeben signifikant unterscheiden. Es wurde eine regulierte Regression eingesetzt, bei welcher der Beitrag verschiedener Intensitätsmaße zur Vorhersage der Kollapskapazität eingehend untersucht wurde. Die Projektergebnisse haben das Potential in zukünftige Regelwerke zur Verbesserung der Belastbarkeit (Resilienz) des Gemeinwesens auf die Auswirkungen von Erdbeben oder anderen Naturgefahren einzufließen, da eine klare Abschätzung des seismischen Risikos des Gebäudebestands sowie seiner Kommunikation überfällig sind. Die Projektpartner werden ihre Forschungen auf diesem Gebiet weiterführen, um dieses Ziel rasch zu erreichen.