地震风险减少通过改造学校砌体建筑物从罗马尼亚

1介绍

几乎60%的整个建筑物的幼儿园,学校,和高中在罗马尼亚由砌体结构用于教室和实验室,根据收集到的数据在2018 - 2019年国家数据库的集成信息系统的教育在罗马尼亚(SIIIR)。考虑到20%以上的这些都是无筋砌体,其中一半以上都是建于1920年之前,他们的弱点是高和风险评估应该集中在减少地震风险。

之前的研究对于加强干预措施的有效性应用于类似的砌体结构进行了类型学在欧洲(Penazzi, et al ., 2001),(D 'Ayala, et al ., 1997),(斯宾塞,et al ., 2000),新西兰(英,格里菲斯,2011)和南美洲(EERI特别地震报道,2007年)。约束砌体结构,结构砌体墙钢筋混凝土元素边界(系梁和小列),已被证明有一个更好的行为比无筋砌体在地震期间,智利的经验证实的住宅(莫洛尼et al ., 2004)。将现有的无筋砌体结构转变为混合系统与砖墙和钢筋混凝土地板和框架,以及钢筋混凝土鞭打应用于砌体墙,代表改造方法,被广泛使用在过去的几十年,继续被应用在罗马尼亚(Scupin et al ., 2020)。然而,这些入侵传统方法强烈讨论(坎波斯Pomba 2007),因为他们可能产生重要的变化在全球行为结构的刚度和承载能力,可能导致不适当的力分布(蒙泰罗盒饭,2012)。替代改造方法还研究了现有住宅建筑物从罗马尼亚,在实验活动(Lozinca et al ., 2016),并通过数值模型,特别是对一个典型的项目这里公寓改造通过纤维碳表应用代替RC外套(Scupin et al ., 2020)。在文学、大规模地震风险评估是由各种方法,以各种方式和结果,通过风险地图或风险等指标年均损失比率。然而,最重要的一个方面相关的地震风险评估执行在地区或全国范围内的数据暴露和脆弱性。以来唯一广泛的地震数据采集进行了1977年Vrancea地震后(约12500砌体建筑检查在布加勒斯特和1800年雅西),很难采用经验脆弱性函数(Vacareanu et al ., 2012),通常在seismic-prone国家进行[(Zuccaro Cacace, 2015),(韦森特et al ., 2014),(Lagomarsino Giovinazzi, 2006)]。部分使用大型数据库、信息收集等人口普查的一部分,在住宅领域非常有用,但总是需要补充数据提交调查和灾后评估。在意大利250000多万住宅评估后提出的过程Zuccaro (2015)。

计划加强干预措施对现有建筑物的Alfama社区在里斯本,住宅领域的损失进行评估,然后通过添加钢提出了关系(改造D 'Ayala, et al ., 1997)。改造方法的效率进行了分析通过比较损伤概率矩阵与unstrengthened版和加强版的结构。

为了评估的有效性和经济可行性投资加强措施,减少相关的风险从罗马尼亚砖石建筑中使用的教育部门,成本-收益分析已被使用。这种类型的分析是评估的另一种方式的可行性通过改造投资大规模地震风险降低。现有住宅建筑物从里斯本,成本效益分析进行了为了平衡技术和经济方面参与这样一个过程。被认为是替代改造方法,比如使用钢筋抹,添加冠梁或支撑的墙壁,和执行当地加固工程甚至重建,以适当的平均成本和损失,和潜在的利益被估计为每个场景(改造品牌et al ., 2018)。

2材料和方法

2.1地震风险评估

整个建筑物地震风险分析需要的信息曝光,以库存的形式的人,建筑,和资产暴露。为了评估建筑物的易损性大组合,推荐的方法是建立结构类型学,允许大量建筑物的初始过滤通过客观标准来估计预期的结构响应。基本风险和脆弱性参数,如学生和教师数量,数量的变化,结构体系,建设,高度和表面或政权,可从SIIIR数据库,以及每个学校单位的位置,进一步提供数据现场地震危险程度。年均超过数率的数据相关的地震行动中使用本文包含最新的地震危险性分析的结果进行的一部分BIGSEES项目(帕维尔et al ., 2016)。

脆弱的功能被分配到15084年整个数据库砖石建筑,分为四种类型的结构系统中给出表1:URM_FF(无筋砌体结构弹性层),URM_RM(无筋砌体结构刚性层),CM(砖混结构),并CM_RM砖混结构(改造)。约束砌体结构钢筋混凝土围砌体墙的元素,如系梁、梁、柱,而翻新版本意味着钢筋混凝土砌体墙的外套。

这些类型的建筑物被认为是代表砌体结构从教育部门托管教室和实验室的结构低层(少于三层地面)。图1介绍了这四种结构类型的分布在整个数据样本用于分析。

先前的地震风险评估主要集中在砌体结构进行现有住宅建筑物从罗马尼亚(帕维尔et al ., 2022一些巨大的遗产建筑)和(Scupin Vacareanu, 2021)。地震风险评估工作摘要意味着肯尼迪提出的卷积积分估计的概率超过一定水平的结构性破坏(失效概率P_F基于脆弱性(P)_{F |})和风险(H_一个的年增长率),即某一地面运动振幅超过数(肯尼迪,2011):

2.2结构脆弱性

为了评估脆弱性的参数为每个类型学,数值模型实现基于来自布加勒斯特的学校建筑,建于1884年最初是一个两层楼高的无筋砌体结构和灵活的木质地板,这期间的时间通过渐进结构变化旨在改善其行为。首先,在1940年代,木质地板被12-cm-thick取代钢筋混凝土板,然后1977年Vrancea地震后,添加了一些钢筋混凝土框架(梁、柱),转换为约束砌体结构。最新改造项目旨在使建筑物的结构行为的最新安全法规,从而提出鞭打的砌体墙(10厘米厚喷射混凝土加固ø10/15×15厘米),添加补充钢筋混凝土柱和一些当地的维修。所示的计划视图semi-basement水平图2提出了最初的钢筋混凝土柱的位置,以及当前加强措施提出了学校建筑。

TREMURI (Lagomarsino et al ., 2013)和3 dmacro软件是用于结构的非线性静态分析,无筋砌体系统第一个和最后一个混合RC-masonry系统,为了正确砌体之间的接口板和RC模型元素。数值模型使用TREMURI创建使用变形macro-elements(皮尔斯和能)由刚性连接节点和允许捕获两个失败机制具体的砌体结构:屈服剪切造成的能(斜裂缝)和木材和失败造成的弯曲和压缩(Scupin et al ., 2021)。然而,为了捕捉RC元素之间的交互(梁、柱)和砌体墙,3 dmacro定义界面弹簧放置在砌体的边缘板工作compression-bending和剪切(Formisano 2014)。先前的研究领域的评估现有砌体结构的数值模型强调软件都适合非线性静态分析(马科斯和Lourenco, 2014年)。为了定义材料特性的数值模型,具体信息收集作为地震评估报告的一部分使用。材料属性定义为现有砌体结构从罗马尼亚以前测试的实验活动(Lozinca et al ., 2016),并进一步,砌体墙校准基于他们的数值模型(Scupin Vacareanu, 2021)。

一旦容量曲线得到每个模型,从RISK-UE项目(II级方法Milutinovic Trendafiloski, 2003)是用于建立每个损伤阈值水平(轻微、中等、广泛和完成),然后获得脆弱性曲线表示的函数值的光谱位移值和标准偏差。脆弱性曲线获得的纵向方向,最脆弱的一个,所示图3(URM-FF),图4(URM-RF),图5(厘米),图6(CM-RM)。比较预期的损失水平关联到相同的光谱位移值,它可以观察到,最高的超过数概率是获得结构在无筋砌体墙和灵活的地板,砖混结构的行为有显著的改善和改进的砌筑。

脆弱性曲线获得学校的数值模型比较的类似结构系统领域的相关文献的评估砌体结构。约束砌体结构,“Placa”结构系统从里斯本,葡萄牙,因为它们使用混合masonry-RC建筑刚性板,建于1940年代和1960年代之间,类似于罗马尼亚的结构。提出的脆弱性曲线进行比较Lamego et al。(2017)这里进行Placa建筑表达谱位移和标准差的脆弱性曲线获得厘米(见图5学校的)模型,所有损失均获得国家好协议。

2.3成本效益分析

为了估计的效率改造现有砌体结构,教育部门的地震风险计算是首先进行基于地震脆弱的结构,因为他们目前在数据库,然后与风险评估计算改造结构(CM-RM)有不同的脆弱性关联。

该工具用于评估投资改造的可行性砌体学校建筑从罗马尼亚是成本效益分析,这是一个计划经济的改造支出和估计风险减少地震所带来的好处通过这样的行为。

分析的第一步是由投资组合的损失估计考虑。损失量化的现状和潜在的翻新后建筑物HAZUS方法(联邦应急管理局,2015),它提供了一个方法之间建立一个联系预期水平的损伤造成脆弱性曲线和直接损失或伤亡人数和受伤的人在一个地震事件。为每个破坏条件(轻微损伤,中度损伤,广泛损伤,和完整的损伤),手册说明伤亡表示为百分数的利率必须乘以相应的概率超过一定的损伤状态,以确定伤亡的概率,为指定数量的人接触。

输入数据由国家数据库的基本结构和曝光参数的教育系统在罗马尼亚(SIIIR),连同位置关联的每个建筑组合和一定程度的地震灾害,据某地震场景。目前情况下,PGA值考虑每个位置得到基于概率地震危险性分析两个地震场景:有63%的人超过数概率(场景1)和另一个有39%超过数概率(方案2)一段50年,一样的普通建筑的设计寿命。

一旦分配结构系统、脆弱性和水平的地震灾害数据库中为每一个条目,超过某一破坏状态的概率也进行了计算,并进一步结合伤亡率提出了HAZUS估计的概率伤亡严重4、意义人瞬间死亡或致命受伤(联邦应急管理局,2015)。在类似的方式,HAZUS方法论提出了结构性和非结构性(敏感加速度或位移)教育设施的维修费用,表示为重置成本总额的百分比,也被认为是600€/平方米。基于成本估计在教育部门从过去的康复项目在罗马尼亚,平均成本400€/平方米,添加200€/平方米为了占资产的价值(家具、设备和文档)在建筑物里面。

除了所需的基本参数输入数据相关的损失估计,还有几个经济参数,需要建立总成本估计,如投资的规划周期,贴现率,和干预的节奏,这意味着加固工程的数量能够每年进行。从这些开始,贴现收益和贴现成本可以确定规划周期,从而估计每年的投资回收期,投资收益成本比结束时,内部收益率。考虑到所需的资源,以改造这样一个大型的建筑在全国范围内,规划周期被认为是50年,投资分布在最初的15年里,有1000个建筑/年,平均8,00000平方米的楼宇密集地区每年翻新。

计算折现率,大约4.9的长期增长率和贴现率被视为一个无赔款优待,这样两个收益和成本减少在整个投资计划时期,即50年。拉姆齐公式计算应用贴现率,屈服于社会折现率等于5%。

经济绩效指标称为净现值贴现收益和成本之间的差异。因此,净现值的折现率是0的规划周期称为内部经济回报率。在规划周期的结束,收益成本比之间的比率计算的现值收益和成本。收益超过成本值高于1的规划周期表明一个可行的投资从经济的观点。然而,融资风险减少措施在教育部门,通过减少生命的风险损失和结构性破坏这样的建筑,额外的社会福利没有考虑在目前的分析。

3的结果

3.1年度失败概率和风险地图

地震风险分析包括评估年度失败的概率,基于功能和地震灾害脆弱性,考虑永久暴露的建筑物和里面的用户。年度被认为在这种情况下的故障概率的概率超过了广泛的损伤状态(DS3)和完整的损伤状态(DS4),前者意味着10% - -15%的概率崩溃。根据HAZUS方法(联邦应急管理局,2015),广泛的结构性破坏记录URM墙意味着广泛的开裂和地方失败,而完整的结构性破坏墙壁,平面或平面外,可能会导致结构的崩溃,崩溃分数为15%。然而,加固砌体结构类型,也有严格的膜片,有崩溃分数略低分配的低层结构,即13%。

表2介绍了对比地震风险地图获得超过数的DS3和DS4,年度超过数概率在哪里显示对于每个县级砌筑类型学,根据色彩的传奇。轻的颜色表明地震风险水平越低,即失败概率越低,而深色的说明地震危险性最高。它可以观察到,Vrancea震源位于该国东部的强烈影响的地震风险水平,因此地震风险的所有结构类型学。然而,风险最高记录的无筋砌体结构,在URM_FF估计每年超过数的概率为1%在近一半的国家广泛的损害,而其余.01%之间价值观和物质。URM_FF类型学,只有四个县,据估计1%的概率超过完整的损伤状态,而在URM_RF的情况下,按预期报告风险水平较低,由于钢筋混凝土板的能力,以防止砌体墙平面外崩溃。

从数据库比较砌体类型学分析,最好的行为是观察改进的结构(CM-RM);然而,只有少数人在整个投资组合,即只有3%。自相关数据之前改造干预学校非常稀缺,可以在现实中更多的教育单位加强和地震危险性较低的包括在分析中。大部分的建筑包括在风险分析是砖混结构(约8700),大约有700000名学生上课。这些,只有18%(建筑和学生)暴露在高地震危险性,年超越概率的DS4大约只。

最脆弱的结构的情况,即无筋砌体与灵活的地板,在更大程度上影响建筑教育部门的股票。分析包括近3500这样的建筑,其中70%有超过数概率DS4等于只另外7%有超过数概率为1%。近90000名学生在学校学习与无筋砌体结构暴露于这种级别的风险与潜在的局部结构的崩溃。

3.2加强干预优先级矩阵

从输入数据的列表在建筑层面从建筑物的数据库包含在教育部门,四个主要参数选择是最具代表性的第一步过滤从的角度构建列表地震风险。这一步中,实际损失评估前,允许组织以一种最优的方式投资的基金分配的地区集中的潜在损失。因为地震风险取决于地震灾害,结构脆弱,和接触,优先级矩阵表3提出了,在四类为每个参数的值。对于每一个类别,分数从1到4分配,1表示风险最高。对于每个构建的数据库,分数必须被指定为每个参数(PGA现场,年施工,结构体系,和重要性),然后总加权分数,考虑的权重矩阵,计算方法。年以来的建筑和结构体系被认为是部分相关的施工技术,是指脆弱性特征,他们的体重都分配一个。2。PGA值的地震灾害是表达的特点为每个位置和.30的重量。的重要性(暴露)参数是指学校的重要性估计基于学生的数量在教育单位,比较学校在整个国家。因此,第四象限包括学校在这个国家有最多的学生,也就是说,超过1740名学生。

图7礼物的最终分布数据库的分数从1到4 15084栋建筑砌体结构。可以观察到,最大的份额是建筑在2和3之间最后的分数(60%的样本),但是也有高度脆弱的建筑的一个重要组成部分得分低于2,几乎整个样本的25%。

3.3成本效益分析的结果

为了估计损失在经济方面,有必要将某些破坏状态的概率为构建用货币单位表示的等效值。因此,平均改造成本,然后建立相关的组合区域学校需要加强措施。考虑砌体结构通常需要大量的加固工程,意味着昂贵的程序如RC鞭打或添加RC元素(系梁、板和剪力墙),提出了改造成本是350€/平方米。然而,由于投资组合包含建筑不同的类型学,年龄,和地点,改造可能更昂贵,甚至低于平均值。改造整个组合砌体结构领域的数据库中的15084座建筑被认为是导致最终投资€4.3毫升。重置成本的600€/平方米,避免直接伤害指潜在的结构性和非结构性维修场景地震所造成的损失达到388毫升。在第一场景和544 mil€€第二个。

基于每个结构体系的伤亡比例分配和暴露人的总数在建筑(学生、教师、和辅助人员),估计死亡人数确定为每个场景。人暴露的总数,这是大约在130万年,第一个地震场景(50年来超过数概率63%)可能导致2459人死亡,而第二个地震场景(50年来超过数概率39%)可能会导致3622名受害者。自改造的整个投资组合砌体建筑假定增加安全,避免结构崩溃,潜在的伤亡成为挽救生命的投资。因此,一旦赋值统计生命的潜在受害者,挽救生命的总价值是福利的经济分析。(统计生命价值):代表社会愿意支付的金额降低死亡的风险,但是因为没有足够的可靠的:国家数据估计,“利益转让”方法应用(种植者和领域,2013年)。给出的公式如下确定:用于罗马尼亚,导致700018€基于参考价值从9.7密耳。美元用于美国环境保护署和GDP人均(γ)调整与2018年的数据,以及一个弹性率1.5 (E)占过高时发生转移:值从一个低收入高收入国家:

130万名学生参加公共教育体系,从幼儿园水平,高中水平,可以受益于投资项目减少砌体建筑相关的地震风险。使用估计以前解释说,避免生命损失的总额改造教育建筑考虑在分析达到1721毫升。为场景1和2536毫升。€€场景2。鉴于改造这些建筑所需的总投资是4388 mil.欧元,值大约1.2 mil.欧元与拯救生命,而生命的统计值估计7 mil.欧元。然而,计算总投资与受益者的总数,即,128万名学生,导致平均成本为3400欧元/人。

为了有一个清晰的预期数量的空间分布提出了地震受害者的场景,图8提出了并行获得的结果,每个绿点代表一个潜在的受害者。累积数目的点左边的地图(情况1)等于2459,和右边的地图(场景2)是3622年,在这两种情况下集中在南部和东部的部分国家。预期的受害者大多Bucharest-Ilfov地区Buzau, Prahova,加拉茨,县暴露于高地震灾害。伤亡人数的比例获得地震平均重现期50年(情况1)的100年之间(场景2)1.4(县最大PGA值)和1.8(县与PGA最小值)。

成本效益分析的主要结果和损失估计的直接伤害和生命损失了两个地震场景图9。自第二次场景考虑地震事件意味着更高的回报比第一个时期,即100年与50年前相比,预期损失高,从而增加投资回收期约为20%,而净现值和收益成本比减少约20%。分析认为超过数的概率加权的好处与地面运动有关,因为第一个地震场景超过数概率更高,即使第二次地震场景的损失估计更高,整体经济分析第一场景会产生更好的效果。

4讨论

4.1优化阶段的重要性

上述结果是基于基金的分配根据设定的优先级优先级方法之前。根据建立的排名基于最终获得的分数在优先级阶段,砌体建筑逐步纳入投资的列表。因此,建筑,最低最后得分列表中应当占据领先地位的优先级设置为降低地震风险教育。如果分配基金掩盖不了需要教育机构的整个投资组合,可以设置一个阈值的排名,以确保投资建立的目标是为了产生的效益最大化。

为了突出引导基金的重要性,学校拥有最高的地震风险,两个不同的备选方案进行比较:随机投资计划(没有应用排名基于优先级)和优先投资计划(其结果已经在3.3节)。损失估计而言,不存在两种情况之间的差异;因此,只有将讨论经济成本效益分析的参数。然而,即使潜在损失是没有改变优先级的过程中,最大的基金分配向投资风险估计增加的生命保存在第一年的实现,因为它从图中可以观察到图10,为地震场景。因此,经过5年的投资,在地震场景1的情况下,优先投资基于矩阵提出了在2230年可能会导致潜在的伤亡得救了,而不是850年获得基于随机分配资金。自改造工作被认为是完成后的15年里,从规划周期的第15个年头,挽救生命的数量达到最大值的所有潜在的伤亡部门,它保持不变直到规划周期的结束。

的图图11显示的进化改造成本和累积收益在50年计划期间,第一只地震场景的情况下优先投资(左)和不优先投资(右侧)。之间的交点累积折扣成本和收益的第一行图形标志着投资回收期,即今年的收益成本比达到一个值等于1。因此,在优先级进程的情况下,投资回收期减少从21日到18年。第二行比较的图表也允许逐年累积值,与快得多的增长记录在第一个10年的实现优先投资选择。另一方面,成本也大幅增加的15年需要改造的投资组合砌体建筑,当资金分配到最需要的投资:大,脆弱的高分辨率地震灾害地区的学校。

4.2评价过去的改造项目

虽然SIIIR数据库的版本使用在目前的分析由过去的信息为每个学校开展康复工作单位在示例中,没有明确的区分地震加强和热康复工作;因此,信息不能被认为是可靠的。然而,学校的基础设施改造项目(P.R.I.S.)也从罗马尼亚和目标确保学校的安全包括改造工作学校纳入计划的一部分。样本443砌体建筑(无筋砌体和砖混结构),包含在程序分析了在一个单独的分析,以突出的好处在减少地震的风险教育部门中使用这些特殊结构。

这只分析进行比较预期的损失导致的砖石建筑的初始版本与改造。因此,443年改造建筑,结构体系变成CM-RM(鞭打的墙壁和插入钢筋混凝土元素:系梁、列,和板)。过去的实践改造在罗马尼亚意味着加强结构通过外套,即使只是局部的应用,就像1977年Vrancea地震产生的损害赔偿(帕维尔,et al ., 2022)。因此,大多数的改造工作开展意味着额外的钢筋混凝土元素,改变了最初无筋砌体结构与刚性约束砌体结构层,甚至夹套砌体墙。比较了基于最初的损失评估进行了考虑URM脆弱性曲线(见图3)和post-retrofitting阶段,损失估计基于CM-RM脆弱性曲线(见图6)。两个阶段(初始和post-retrofitting)进行评估后的损失HAZUS方法(联邦应急管理局,2015根据2.3节中描述的过程的。

从无钢筋/约束砌体过渡到翻新砌体意味着预期损失方面的显著差异,我们可以看到图12。场景1,预期损失从443年的加强建筑大约30倍低于初始结构。对于第二个场景,实现加强项目表明20倍减少的预期损失。这些结果证实了经济可行性改造投资致力于减少砌体房屋的抗震风险与教育功能。

5的结论

类型级别的地震风险分析的重要性凸显了提出的方法的应用程序为了预期的损失估计砌体房屋在教育部门。信息暴露和脆弱性的基础上通过教育综合信息系统收集到的学校建筑在罗马尼亚(SIIIR),砖石建筑的预期损失估计和优先级标准提出了改造措施。

地震风险评估方法用于本文遵循程序已经在文学呈现大规模评估损失的地震事件,例如,RISK-UE项目(Milutinovic Trendafiloski, 2003)。此外,为了有一个减少所需的投资损失的经济评价在教育领域,尤其是学校的砖石建筑,类似的方法提出了《里斯本条约》的通过Lamego et al。(2017)是使用。两个地震场景提出了改造措施和成本被分配,之后,人员伤亡和直接经济损失估计使用HAZUS方法。

HAZUS后损失评估方法在地震的情况下,此类事件的潜在影响的教育部分由砖石建筑突出显示。总数的1285275名学生参加学校认为,价格下跌0代表潜在地震人员伤亡的情况下,和受害者的数量增加.28%第二场景。从成本的角度改造干预,通过规范确保所需的总投资的安全部门,平均3400€/学生入学是估计的成本。

分析进行部门还强调,风险最高记录的无筋砌体结构和灵活的地板,有1%的概率超过国家地区的巨大损失,暴露于高地震风险水平(国家)的东部。

这样的工具可以促进必要的投资行动计划旨在减少与现有建筑物地震风险来自罗马尼亚。考虑砌体建筑物的大部分用于适应公共服务和位于seismic-prone地区,全面分析需要更好的描述他们的行为和预期损失的地震事件。建议应用本文提出的方法分析地震的可行性投资改造的建筑从其他行业,如住宅、健康、以及建筑有不同的结构类型。此外,对于特殊情况如遗产的建筑之一,使用微创改造方法。因此,在这种情况下,更相关的是好调查的预期损失只能减少在使用最少的强化方法。

数据可用性声明

在本文中给出的数据集不是现成的,因为他们有敏感数据,他们属于教育部从罗马尼亚。请求访问数据集应该针对教育部,SIIIR项目(https://www.siiir.edu.ro/)。

作者的贡献

所有作者列出了一大笔,直接和知识贡献的工作,批准发布。

资金

这个研究的一部分是由世界银行资助的预备阶段的罗马尼亚更安全、包容和可持续学校Project-P175308 (世界银行,2021年)。

确认

作者想表达他们的感谢世界银行任务团队领导阿兰娜·辛普森和艾琳娜萨瓦河的杰出的协调筹备阶段的罗马尼亚更安全、包容和可持续学校项目(世界银行,2021年)和丹尼尔Bojte促进教育的访问集成信息系统在罗马尼亚(SIIIR)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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