Διαχείριση της συντήρησης οδικών γεφυρών στο κύκλο ζωής τους υπό σεισμικό κίνδυνο

Abstract

Highway bridges are demanding, large-scale projects which enable transport of people and goods. The existence of aged highway bridges, loaded by both traffic and seismic forces, underlines the requirement for immediate maintenance and restoration in many of them. In order to achieve effective and sustainable bridge maintenance and rehabilitation, effective management of the process is required over the road network bridge stock and within the life cycle of each bridge.The present research focuses on the assessment of seismic risk in road bridges and the consequent maintenance and rehabilitation management of the bridge network. The development includes models and implementation software for (a) bridge seismic risk assessment (based on specific structure and location parameters), (b) bridge condition assessment in time and development of condition deterioration curves and (c) optimization of bridge maintenance and rehabilitation strategies over the bridge network in time. Due to the huge number of alternative scenarios to be evaluated, various types of computational intelligence methods were adopted, such as meta-heuristic optimization algorithms, artificial neural network and fuzzy systems. Such methods were rather necessary to account for the problem size and complexity as they can provide near-optimal solutions at an acceptable level of computational effort.Part of the investigation consisted of developing real-life pilot applications (from existing bridges) in order to highlight the potential of the proposed methodology and computational system to provide a holistic picture of the problem and potential best solutions and assure reliability based on adequate sensitivity analyses. Evaluation results indicate that the system can provide solid, reliable, and pragmatic solutions in a form that can be fully practical for the selection of the appropriate maintenance and rehabilitation strategy on a bridge stock during their lifecycle.

Οι οδικές γέφυρες είναι έργα μεγάλης κλίμακας, αυξημένων απαιτήσεων και υψηλού κόστους, οι οποίες κατασκευάζονται για να εξυπηρετήσουν ανάγκες μετακινήσεων προσώπων και μεταφοράς αγαθών στη διάρκεια ζωής τους. Η ύπαρξη γεφυρών μεγάλης ηλικίας στο οδικό δίκτυο και οι εικόνες βλαβών που παρατηρούνται σε αυτές μετά από σεισμούς αναδεικνύουν την ανάγκη έγκαιρης και αποτελεσματικής συντήρησης και αποκατάστασης των. Για να επιτευχθούν τα αναμενόμενα αποτελέσματα χωρίς υπέρμετρες οικονομικές επιβαρύνσεις, η συντήρηση θα πρέπει να συνδέεται και με την οικονομικότητα η οποία επιτυγχάνεται μέσω της κατάλληλης διαχείρισης, της βελτιστοποίησης δηλαδή των αποφάσεων επιλογής, σχεδιασμού και υλοποίησης των παρεμβάσεων συντήρησης. Η παρούσα έρευνα έχει ως στόχο την εκτίμηση του σεισμικού κίνδυνου και τη βέλτιστη διαχείριση της συντήρησης οδικών γεφυρών με την αξιοποίηση σύγχρονων μεθόδων υπολογιστικής νοημοσύνης για την εκτίμηση της κατάστασης των γεφυρών ενός δικτύου στο χρόνο και την επιλογή των κατάλληλων διορθωτικών παρεμβάσεων που οδηγούν στα υψηλότερα δυνατά επίπεδα ασφάλειας και λειτουργικότητας υπό τους υφιστάμενους περιορισμούς διαθεσιμότητας πόρων. Στο πλαίσιο αυτό αναπτύσσονται μεθοδολογίες (οι οποίες στη συνέχεια υλοποιούνται σε υπολογιστικό σύστημα) που περιλαμβάνουν (α) την εκτίμηση της σεισμικής διακινδύνευσης γεφυρών με βάση μια σειρά παραμέτρων που αφορούν στη γέφυρα καθεαυτή και στο χώρο όπου αυτή εντάσσεται, (β) την εκτίμηση της εξέλιξης της κατάστασης στο χρόνο (με τη δημιουργία καμπυλών κατάστασης), η οποία αποτελεί σημαντικό παράγοντα στη διαδικασία αποφάσεων συντήρησης και αποκατάστασης και (γ) τη βελτιστοποίηση της στρατηγικής συντήρησης με την δόμηση και συγκριτική αξιολόγηση (μεγάλου αριθμού) εναλλακτικών σεναρίων που περιλαμβάνουν το είδος της συντήρησης, τη γέφυρα εφαρμογής (ειδικότερα το στοιχείο της γέφυρας) και το χρόνο εφαρμογής. Στην πορεία υλοποίησης χρησιμοποιούνται διάφορες ομάδες εργαλείων υπολογιστικής νοημοσύνης όπως μετα-ευρετικοί αλγόριθμοι βελτιστοποίησης, νευρωνικά δίκτυα, ασαφή συστήματα, κλπ. Λόγω του μεγέθους και της πολυπλοκότητας του προβλήματος, η εφαρμογή τέτοιων μεθόδων αναγκαία προκειμένου να επιτευχθούν ικανοποιητικά αποτελέσματα αναφορικά με την ακρίβεια των λύσεων και το υπολογιστικό φορτίο.Στο πλαίσιο της διερεύνησης υλοποιήθηκαν πιλοτικές εφαρμογές με πραγματικά στοιχεία γεφυρών και εξετάστηκαν διαφορετικά σενάρια ως προς τις παραμέτρους των επιμέρους προβλημάτων με στόχο να αναδειχθούν οι δυνατότητες των προτεινόμενων μεθοδολογιών αλλά και να υπάρξει μια ολοκληρωμένη εικόνα της αξιοπιστίας αυτών μέσω αναλύσεων ευαισθησίας. Τα αποτελέσματα των εφαρμογών δείχνουν ότι το σύστημα μπορεί να παρέχει αξιόπιστες λύσεις στα επιμέρους θέματα που αντιμετωπίζει, με αποτελέσματα που είναι σταθερά, κοντά στην πραγματικότητα και σε αυτά άλλων εφαρμογών (όπου ήταν δυνατή η σύγκριση) και σε μορφή πλήρως αξιοποιήσιμη για τη στήριξη αποφάσεων διαχείρισης δικτύου γεφυρών στον κύκλο ζωής τους.