Ojačanje konstrukcija armiranobetonskih mostova za uslove dejstva zemljotresa

Link za više informacija:

Folic R., Cosic M., Folic B.: Deciding the Order of Interventions on the Structure of Reinforced Concrete (RC) Bridges for Earthquake Conditions, MASE 16, International Symposium of Macedonian Association of Structural Engineers, Ohrid, Macedonia, 2015, pp. 698-706.

Inženjersko-tehnološko-socio-ekonomski parametri sanacije mostova

Razvoj metodologije višekriterijumske analize u sanaciji/ojačanju oštećenih konstrukcija armiranobetonskih mostova, zasniva se na uvažavanju inženjersko-tehnološko-socio-ekonomskih parametara, kao što su: baza podataka armiranobetonskih mostova, baza geotehničkih, geofizičkih i seizmičkih podataka o tlu na kojem su armiranobetonski mostovi izgrađeni, prikupljanje podataka o mostovima u uslovima eksploatacije, merenja i testovi, opis i klasifikacija oštećenja na konstrukcijama mostova, numeričke analize konstrukcija mostova, donošenje odluka o stanju i merama intervencija na konstrukcijama mostova i socio-ekonomski aspekti intevencija na konstrukcijama mostova. U daljem delu poglavlja dat je detaljniji prikaz razvijene metodologije. Za potrebe istraživanja prezentovanog u ovom radu razmatrana je ciljna grupa armiranobetonskih mostova – nadvožnjaka (iznad puteva i železničkih pruga), dok se oštećenja razmatraju da su nastala kao posledica dejstva zemljotresa.

Baza podataka armiranobetonskih mostova za koje se sprovodi monitoring i donose odluke o intervencijama:

• baza podataka kreirana u objektno-orijentisanom softverskom okruženju sa mogućnošću intervencije postojećih i unošenja novih stanja mostova,
• kratak prikaz tehničkih dokumentacija konstrukcija armiranobetonskih mostova sa tehničkim izveštajima,
• vizuelna prezentacija mostova sa detaljima lokacije, GPS koordinatama, Google mapama, lokalnim i globalnim koordinatama putne infrastrukture,
• fotodokumentacija (dispozicije i perspektive) konstrukcija mostova u eksploatacionim uslovima,
• oštećenja konstrukcija mostova prikazana na dispozicionim crtežima mostova,
• detalji oštećenja konstrukcija mostova (fotodokumentacija i tehnički crteži),
• mogućnost razmene podataka sa postojećim bazama podataka mostova.

Baza geotehničkih, geofizičkih i seizmičkih podataka o tlu na kojem su armiranobetonski mostovi izgrađeni:

• podaci iz geotehničkih i geofizičkih elaborata o mikrolokacijama na kojima su mostovi izgrađeni: geotehnički profili terena, mehaničke karakteristike tla po slojevima, geoseizmičke karakteristike tla (brzina propagacije talasa po slojevima tla i sl.),
• podaci o mikroseizmičkoj rejonizaciji,
• karte seizmičkog hazarada za teritorije gde su locirani mostovi,
• podaci iz projektne dokumentacije od važnosti za seizmiku izgrađenih mostova: projektna maksimalna ubrzanja tla na površini i na osnovnoj steni, projektni spektri odgovora, propisi po kojima su projektovani mostovi i sl.

Detaljni vizuelni makroskopski pregledi sa fotodokumentacijom mostova (prikupljanje podataka o mostovima u uslovima eksploatacije):

• detaljni vizuelni makroskopski pregledi: saobraćajne infrastrukture mostova, slivnika i odvodnih cevi, zaštitne ograde, završnih asfaltnih površina kolovoza, izolacije, prilaznih konstrukcija mostova, saobraćajnih profila, dilatacionih sprava, ležišnih ploča i oslonaca,
• detaljani vizuelni pregledi zaštinih slojeva betona i preliminarni in situ testovi,
• detaljni vizuelni makroskopski pregledi: nosećih podužnih konstrukcija (greda, ploča, ukrućenja), nosećih vertikalnih konstrukcija (stubova), oporaca, temelja, naglavnih ploča, šipova (ukoliko su vizuelno dostupni).

Merenja i testovi (preliminarna nedestruktivna ispitivanja):

• testovi ambijentalnih vibracija,
• merenja horizontalnih i vertikalnih deformacija mostova: u uslovima eksploatacije i neopterećenih konstrukcija mostova za implementacije u numeričke modele kroz početne imperfekcije mostova i kroz početna pomeranja čvorova,
• testovi integriteta šipova.

Opis i klasifikacija oštećenja na konstrukcijama mostova i eventualno temeljima:

• identifikacija i klasifikacija oštećenja: bez oštećenja, mala oštećenja, značajna oštećenja, velika oštećenja, lokalni/globalni lom/kolaps,
• opis oštećenja: jedva vidljive prsline, vidljive prsline, značajne prsline sa odlamanjem betona, veoma velike prsline/pukotine sa proširenim zonama odlamanja betona, značajno vidljive deformacije konstrukcije mosta.

Numeričke analize konstrukcija mostova:

• akcelerogrami baze podataka,
• generisanje i procesiranje veštačkih i/ili sintetičkih akcelerograma,
• skaliranje i kompatibilizacija akcelerograma i spektara odgovora,
• modeliranje konstrukcija mostova na osnovu prikupljenih podataka, uzimajući u obzir i oštećenja na postojećim mostovima,
• numerički testovi ambijentalnih vibracija,
• linearne dinamičke analize sa izdvojenim svojstvenim oblicima konstrukcija mostova (procena oštećenja po svojstvenim oblicima u vremenskom domenu),
• spektralne-modalne analize mostova,
• inkrementalne nelinearne dinamičke analize (procene aktuelnih stanja konstrukcija mostova za uslove dejstva zemljotresa do nivoa kolapsa u vremenskom i kapacitativnom domenu),
• nelinearne statičke pushover analize (procene aktuelnih stanja konstrukcija mostova za uslove dejstva zemljotresa do nivoa kolapsa u kapacitativnom domenu),
• analize performansnih stanja oštećenih elemenata i kompletnih konstrukcija mostova,
• analize povredljivosti i pouzdanosti oštećenih konstrukcija mostova na probabilističkom nivou.

Donošenje odluka o stanju i merama intervencija na konstrukcijama mostova:

• ukazivanje na greške: u projektovanju mostova, izvedenom stanju mostova, posledicama neadekvatnog održavanja i upotrebe mostova,
• analiza usklađenosti stanja postojećih mostova sa savremenom regulativom iz oblasti projektovanja konstrukcija mostova,
• procene stanja mostova određivanjem kapaciteta nosivosti i deformacija do nivoa kolapsa,
• kreiranje algoritma o stanju i merama intervencija na konstrukcijama armiranobetonskih mostova oštećenih zemljotresom,
• odluke o sanacijama i intervencijama: nije potrebna sanacija, može se sprovesti sanacija na lokalnom nivou, sanacija u manjem obimu, potrebna je značajna sanacija, potrebna je zamena jednog dela konstrukcije ili kompletne konstrukcije,
• odluka o dodatnom ojačavanju ili o promeni statičkih sistema konstrukcija mostova: primena FRP traka, povećanje preseka, prednaprezanje, dodatno armiranje, dodavanje novih elemenata, postavljanje dampera, postavljanje bazne izolacije, ojačanje temelja i zidova, zamena ležišta, sprečavanje pomeranja,
• preporuke za izvođenje radova na revitalizaciji i sanaciji mostova,
• preporuke za monitoring stanja postojećih nesaniranih i naknadno saniranih mostova primenom savremenih informacionih tehnologija.

Socio-ekonomski aspekti intevencija na konstrukcijama mostova:

• socio-ekonomski opis stanja konstrukcija mostova: u potpuno upotrebljivom stanju, generalno upotrebljivo stanje, stanje mosta koje je potrebno dodatno obezbediti da ne nastupi ugrožavanje ljudskih života, stanje blisko kolapsu konstrukcije mosta, stanje kolapsa konstrukcije mosta,
• intervencije oštećenih mostova: izvođenja radova na sanaciji konstrukcija mostova uz minimalno ometanje saobraćaja, kod značajnije oštećenih konstrukcija mostova intervencije se moraju izvesti tako da se obezbedi saobraćaj interventnih vozila (vatrogasna vozila, hitna pomoć, policija i sl.), optimizacija broja dana potrebnih za sanaciju kompletno oštećene konstrukcije mosta ili mosta kod koga je onemogućen saobraćaj,
• ekonomske analize i efekti sanacija mostova.

Konačna ocena o stanju konstrukcije mosta se donosi na osnovu analize stvarnog oštećenja i numeričkih simulacija kojima se može ukazati i na progres u oštećenju, ukoliko se blagovremeno ne sprovde adekvatna sanacija/ojačanje.

VIKOR metoda odlučivanja u analizi sanacije/ojačanja mostova

Matematička formulacija VIKOR metode

S obzirom na oganičenje prostora za detaljnu prezentaciju problema i kompleksnost metodologije koja je konceptualno izložena u ovom naučnom radu, težište istraživanja je postavljeno na višekriterijumskoj optimizaciji metodom VIKOR. Metoda VIKOR je razvijena za potrebe višekriterijumskog odlučivanja u strateškim projektima, tako što se prvo određuje najbolje (kompromisno) rešenje, u višekriterijumskom smislu, iz skupa od J dopustivih alternativa vrednovanih prema skupu od n kriterijumskih funkcija. Ova metoda zahteva da su poznate vrednosti svih kriterijumskih funkcija za sve alternative, u vidu matrice ║f_ij║nxJ, pri čemu f_ij označava vrednost i-te kriterijumske funkcije za j-tu alternativu. Kompromisno rešenje F^c=(f₁^c,…f_n^c) je dopustivo rešenje koje je najbliže idealnom rešenju F* (najbolje vrednosti kriterijumskih funkcija). Ovde kompromis znači sporazum postignut uzajamnim ustupanjima, predstavljen pomoću Δf_i=f_i^*–f_i^c, i=1,…n. Metoda VIKOR se sprovodi u nekoliko koraka:

• odredjivanje idealne tačke iz vrednosti kriterijumskih funkcija,
• transformacija raznorodnih kriterijumskih funkcija (različite mere vrednosti),
• zadavanje težina kriterijuma w_i, i=1,…n, pri čemu one predstavljaju relativni značaj kriterijuma koji je zasnovan na preferenciji donosioca odluke,
• odredjivanje S_j, R_j, Q_j, j,…J.

Analiza prioriteta mostova za sanaciju/ojačanje

Definisanje i donošenje odluke o listi prioriteta mostova za sanaciju/ojačanje sprovedeno je prema aktivnostima:

• formiranje liste mostova na različitim putnim trasama,
• formiranje kriterijuma za višekriterijumsku optimizaciju,
• numerički postupak višekriterijumske optimizacije VIKOR metodom u softveru LingV,
• vrednovanje formiranih rešenja u skladu s usvojenim kriterijima,
• rangiranje varijantnih rešenja,
• analiza i izbor prioriteta mostova za sanaciju/ojačanje.

Ukupno je razmatrano 12 mostova (M1,…M12) na različitim putnim trasama, prvog i drugog reda, pri čemu je selektovano 7 kriterijuma za višekriterijumsku optimizaciju:

• važnost mosta c₁,
• godine eksploatacije mosta c₂,
• prosečni godišnji dnevni saobraćaj c₃,
• infrastruktura koja prolazi kroz konstrukciju mosta c₄,
• alternativni putni pravci c₅,
• povredljivost konstrukcije c₆,
• seizmički hazard c₇.

Kriterijum važnost mosta c₁ predstavlja strateški značaj mosta, od regionalnog do međunarodnog. Razmatrane su tri kategorije važnosti mosta: strateški, kritični i standardni. Kriterijum godine eksploatacije mosta c₂ se odnosi vreme proteklo od puštanja mosta u eksploataciju do vremena kada su prikupljeni podaci za istraživanje prikazani u ovom radu. Kriterijum prosečni godišnji dnevni saobraćaj c₃ predstavlja prosečan dnevni protok vozila preko razmatranog mosta na godišnjem nivou. Kriterijum infrastruktura koja prolazi kroz konstrukciju mosta c₄ predstavlja dodatnu infrastrukturu koja se prevodi kroz konstrukciju mosta. Kriterijum alternativni putni pravci c₅ se odnosi na alternativne putne pravace koji se mogu koristiti za slučaj da je most oštećen do tog nivoa da se preko njega ne može nesmetano odvijati saobraćaj. Kriterijum povredljivost konstrukcije c₆ predstavlja performanse konstrukcije mosta i nivo povredljivosti u slučaju dejstva zemljotresa. Mostovi koji su u lošijem stanju imaju veći nivo povredljivosti i njima se daje veći prioritet za sanaciju/ojačanje. Kriterijum seizmički hazard c₇ je funkcija dva faktora: intenziteta pomeranja tla i amplifikacije tla, a što se može prikazati preko proizvoda maksimalnog ubrzanja tla za osnovnu stenu i seizmičkog koeficijenta tla.

U narednom koraku je svako varijantno rešenje pojedinačno vrednovano prema odgovarajućim kriterijumima, formirajući početnu (nenormalizovanu) matricu odlučivanja. Za potrebe ovog istraživanja definisano je 5 mogućih scenarija za koja su razmatrane različite vrednosti težinskih koeficijenata w_i po kriterijumima. U tabeli 1 su prikazani matrica odlučivanja i predefinisani scenariji sa težinskim koeficijentima. Prvi S1 i drugi S2 scenario se odnose na situaciju kada se uzimaju u obzir veće vrednosti težinskih koeficijenata kod seizmičkog hazarada i povredljivosti konstrukcije. U slučaju četvrtog S4 i petog S5 scenarija veća važnost se daje prosečnom godišnjem dnevnom saobraćaju i važnosti mosta, dok se uticaj seizmičkog hazarada minimizira. Treći S3 scenario predstavlja prelaznu kategoriju između prethodno definisanih scenarija.

Tabela 1. Matrica odlučivanja i predefinisani scenariji sa težinskim koeficijentima kod analize prioriteta mostova za sanaciju/ojačanje

Nakon definisane (nenormalizovane) matrice odlučivanja i predefinisanih scenarija sa težinskim koeficijentima, sprovedena je normalizacija matrice odlučivanja, dok su u narednom koraku proračunati težinski koeficijenti koji određuju relativnu važnost svakog kriterijuma u formiranom poretku kriterijuma. Zatim su sprovedeni proračun finalne matrice odlučivanja i rangiranje na osnovu dobijenog rešenja višekriterijumske optimizacije. Zbog obimnosti proračuna i ograničenja prostora za prezentaciju međurešenja VIKOR metode, prikazano je samo krajnje dobijeno rešenje u formi dijagrama ranga prioriteta mostova za sanaciju/ojačanje (slika 1). Ukoliko se razmatraju prva dva scenarija (S1, S2), kada su veće vrednosti težinskih koeficijenata kod seizmičkog hazarada i povredljivosti konstrukcije, tada je most M5 prioritetan za sanaciju/ojačanje. Međutim, ukoliko se razmatraju poslednja dva scenarija (S4, S5), dobija se da je most M3 prioritetan za sanaciju/ojačanje, dok je u slučaju scenarija S3 most M1 prioritetan za sanaciju/ojačanje. Razmatranjem pozicija kompromisnih rešenja identifikuju se mostovi M7 i M8, rangirani u četiri scenarija na drugom i trećem mestu, pa se predlaže da se, u zavisnosti od raspoloživih sredstava budžeta, pristupi i sanaciji/ojačanju ova dva mosta, odmah nakon sanacije M5 i M3 mostova. Most M5 ima gotovo identičan nivo seizmičkog hazarda i znatno manji prosečni godišnji dnevni saobraćaj, u odnosu na mostove M3, M7 i M8, međutim nivo povredljivosti ovog mosta je nešto veći odnosu na nivo povredljivosti mosta M3.

Slika 1. Dijagram ranga prioriteta mostova za sanaciju/ojačanje

Analiza prioriteta metoda sanacije/ojačanja mostova

Definisanje i donošenje odluke o listi prioriteta metoda sanacije/ojačanja mostova sprovedeno je prema aktivnostima:

• formiranje liste metoda sancije/ojačanja,
• formiranje kriterijuma za višekriterijumsku optimizaciju,
• numerički postupak višekriterijumske optimizacije VIKOR metodom u softveru LingV,
• vrednovanje formiranih rešenja u skladu s usvojenim kriterijima,
• rangiranje varijantnih rešenja,
• analiza i izbor prioriteta metoda sancije/ojačanja mostova.

U preliminarnoj fazi razmatran je veći broj metoda sanacije/ojačanja, dok je u finalnoj fazi razmatrano ukupno 8 metoda (Met1,…Met8) sanacije/ojačanja mostova prema: reparaturna sanacija, ojačavanje poprečnih preseka, dodavanje elemenata za ukrućenje, sanacija FRP trakama, dodavanje dampera, postavljanje bazne izolacije, promena statičkog sistema i ojačavanje fundamenata šipovima, pri čemu je selektovano 6 kriterijuma za višekriterijumsku optimizaciju:

• nosivost c₁,
• duktilnost c₂,
• deformacije mosta c₃,
• globalna stabilnost mosta c₄,
• troškovi sanacije c₅,
• vreme potrebno za sanaciju c₆.

Kriterijum nosivost c₁ se odnosi se na povećanje otpornosti konstrukcije mosta na dejstvo zemljotresa, a u funkciji primenjene metode sanacije/ojačanja. Kriterijum duktilnost c₂ se odnosi na povećanje odnosa nivoa maksimalnih deformacija i deformacija na granici tečenja mosta, a u funkciji je primenjene metode sanacije/ojačanja. Kriterijum deformacije mosta c₃ je funkcija odnosa deformacija saniranog/ojačanog i oštećenog mosta usled dejstva zemljotresa. Kriterijum globalna stabilnost mosta c₄ je funkcija povećanja globalne stabilnosti saniranog/ojačanog mosta na dejstvo zemljotresa. Kriterijum troškovi sanacije c₅ se odnosi na ukupne troškove sanacije/ojačanja mosta, dok se kriterijum vreme potrebno za sanaciju c₆ odnosi na kumulativno vreme od početka sanacije do normalizacije saobraćaja preko mosta. Vrednosti koeficijenata c₁,…c₆ su prikazane kao normalizovane.

Za potrebe ovog istraživanja definisano je 8 mogućih scenarija za koja su razmatrane različite vrednosti težinskih koeficijenata w_i po kriterijumima. U tabeli 2 su prikazani matrica odlučivanja i predefinisani scenariji sa težinskim koeficijentima. Prva četiri scenarija (S1, S2, S3, S4) se odnose na situacije kada se uzimaju u obzir veće vrednosti težinskih koeficijenata u cilju povećanja kvaliteta ponašanja konstruktivnog sistema mosta. U slučaju preostala četiri scenarija (S5, S6, S7, S8) veća važnost se daje ekonomskim efektima i vemenu potrebnom za sanaciju/ojačanje mosta. Krajnje dobijeno rešenje, prema VIKOR metodi, prikazano je u formi ranga prioriteta metoda sanacije/ojačanja mostova (slika 2). Ukoliko se razmatraju prva četiri scenarija (S1, S2, S3, S4), kada su veće vrednosti težinskih koeficijenata u cilju povećanja kvaliteta ponašanja konstruktivnog sistema mosta, tada je metoda promene statičkog sistema Met7 prioritetna za sanaciju/ojačanje. Kada se razmatraju poslednja četiri scenarija (S5, S6, S7, S8), gde su primarni ekonomski efekti i vreme potrebno za sanaciju/ojačanje, dobija se da je metoda reparaturne sanacije Met1 prioritetna za sanaciju/ojačanje. Međutim, u određenim slučajevima metoda reparaturne sanacije nije dovoljno adekvatna za sanaciju mostova, pa se razmatranjem pozicija kompromisnih rešenja dobija da je metoda dodavanja elemenata za ukrućenje Met3 optimalo rešenje.

Tabela 2. Matrica odlučivanja i predefinisani scenariji sa težinskim koeficijentima kod analize prioriteta metoda sanacije/ojačanja mostova

Slika 2. Dijagram ranga prioriteta metoda sanacije/ojačanja mostova

Link za više informacija:

Folic R., Cosic M., Folic B.: Deciding the Order of Interventions on the Structure of Reinforced Concrete (RC) Bridges for Earthquake Conditions, MASE 16, International Symposium of Macedonian Association of Structural Engineers, Ohrid, Macedonia, 2015, pp. 698-706.