Obliczanie niepewności w sejsmicznych modelach konstrukcyjnych

Inżynierowie zakładają niesprężystą reakcję budynków na wstrząsy sejsmiczne, co oznacza, że pochłaniają one część energii wstrząsu w sposób nieodwracalny. W większości przypadków trudno określić poziom pewności w numerycznych przewidywaniach niesprężystej reakcji na wstrząsy sejsmiczne. Wynika to zarówno z niepewności będącej nieodłącznym elementem układów fizycznych, jak i braku wiedzy na temat nieodwracalnych mechanizmów uruchamiających się podczas trzęsienia ziemi.

W projekcie NOUS (Probabilistic inverse models for assessing the predictive accuracy of inelastic seismic numerical analyses), finansowanym ze środków UE, przyjęto nowatorskie podejście, oparte na teorii prawdopodobieństwa odwrotnego, aby ocenić niepewność modelowania związaną analizami numerycznymi niesprężystości sejsmicznej. Przy pomocy prawdopodobieństwa odwrotnego dane z pośrednich obserwacji lub uzyskane technikami takimi jak symulacje Monte Carlo można wykorzystać do szacowania nieznanych parametrów układów fizycznych.

Uczeni opracowali probabilistyczny nieliniowy model strukturalny szkieletowej konstrukcji żelbetowej testowanej na stole wstrząsanym. Rozkłady prawdopodobieństwa reprezentują niepewności związane z parametrami modeli i wynikami symulacji.

Podstawowe znaczenie w analizie niepewności mają siły tłumiące, wprowadzane do niesprężystych sejsmicznych analiz numerycznych w celu uzyskania dokładnych przewidywań danych obserwowanych doświadczalnie. W projekcie NOUS założono, że siły tłumiące odzwierciedlają niepewność modelu.

Naukowcy wykorzystali symulacje metodą Monte Carlo z zastosowaniem łańcucha Markowa (w których prowadzi się liczne próby przy użyciu różnych danych), aby określić parametry modelu prowadzące do najmniejszych sił tłumiących, a tym samym rozwiązać problem prawdopodobieństwa odwrotnego.

Obliczone w ten sposób siły tłumiące zostaną wykorzystane do pomiaru niepewności modelu. Dodatkowe modele oparte na stochastycznych wieloskalowych metodach numerycznych umożliwiają symulację właściwości tłumiących materiału oraz uzyskiwanie pełniejszych informacji na temat fizyki tłumienia wstrząsów.

Narzędzia NOUS pozwolą na ocenę dokładności predykcyjnej modeli numerycznych stosowanych do symulacji reakcji struktur nieliniowych w regionach narażonych na wstrząsy sejsmiczne. Przyczynią się też do udoskonalenia metody zarządzania ryzykiem sejsmicznym. Metody te przydadzą się inżynierom pracującym przy projektowaniu i modernizacji budynków, firmom ubezpieczeniowym opracowującym swoje polisy oraz organom reagowania kryzysowego, ratującym życie ludzkie podczas trzęsień ziemi.