地震风险评估软件EaRL及其功能分析

++软件X 12（2020）100607原始软件出版物EaRL--地震风险、损失和灾害分析放大图片作者：Ahmed Elkadya.吕宋湾a英国南安普敦大学土木、海事和环境工程系，南安普敦SO16 7QFb洛桑联邦理工学院建筑、土木与环境工程学院，洛桑CH-1015，瑞士ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2020年收到修订版2020年6月30日接受2020年10月6日保留字：计算平台软件地震损失评估FEMAP-58性能地震工程a b st ra ct基于性能的地震工程（PBEE）已成为一个越来越受欢迎的框架设计、改造和管理建筑。该概率框架整合了地震危险性、结构响应、损伤脆弱性和损伤后果的数据，以计算结构性能指标;从而促进了与建筑业主和工程界以外的利益相关者的有效沟通。为了支持PBEE，开发了一个基于Matlab的计算平台/软件，实现了最先进的损失估计和地震生命周期分析方法。该软件旨在（1）通过提供直观的图形用户界面、广泛的数据可视化选项和适应不同用户偏好的集体功能，促进相对具有挑战性的PBEE计算©2020作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。代码元数据当前代码版本v1.0代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2020_142法律代码许可证GNU GPL v3使用的代码版本控制系统软件代码语言Matlab编译要求、操作环境依赖性Microsoft WindowsMATLAB运行时链接到开发人员文档/手册https://github.com/amaelkady/EaRL/tree/master/doc问题支持电子邮件a. soton.ac.uk软件元数据当前软件版本v1.0代码/存储库的永久链接https://github.com/amaelkady/EaRL法律软件许可证GNU GPL v3计算平台/操作系统Microsoft Windows安装要求依赖项Microsoft WindowsMATLAB运行时有关详细信息，请用户手册链接https://github.com/amaelkady/EaRL/tree/master/doc问题支持电子邮件a. soton.ac.uk1. 动机和意义地震可能对人口和经济造成长期影响和不利影响。其中包括伤亡人数*通讯作者。电子邮件地址：a. soton.ac.uk（A.Elkady），dimitrios. epdfl.ch（D.G.Lymphs）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100607以及由于倒塌/损坏的结构造成的伤害，而对经济的影响除其他外可能与由于损坏的结构的修理以及相关的停机时间造成的金钱损失有关。利益相关者和建筑业主有兴趣预测和尽量减少潜在的地震引起的经济损失，以拥抱我们的建筑基础设施的抗震能力。在这方面，基于性能的地震工程（PBEE）框架已经发展，因为早期2352-7110/©2020作者。由爱思唯尔公司出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxA. 埃尔卡迪和D. 吕什软件X 12（2020）10060722000年代[1由太平洋地震研究中心（PEER）制定的PBEE框架[4，5]在图中示意性地展示。1.一、它旨在明确量化性能决策变量（DV），如预期的年度损失和/或与基础设施系统损坏维修相关的停机时间。这些DV可以在概念设计阶段的早期帮助有效的设计和/或改造DV可以将具有挑战性的结构性能概念传达给建筑业主、利益相关者和非工程师。简而言之，对于给定的地震烈度测量（IM），PBEE框架首先量化结构这通常需要非线性数值模型和动态响应历史分析。非基于模型的方法也在不断发展，以告知这一步骤[6，7]，试图最大限度地减少非线性计算。如果已知给定IM的结构EDPs，则可以量化相应的损坏。这就需要知道非结构/结构建筑构件以及相应的损伤易损性函数。在最后一步中，使用损伤后果的分布函数（例如，金钱、停机时间、伤亡、伤害后果）。PBEE框架是以概率方式组装的。在每一步都考虑了相关的偶然性和/或认识上的不确定性。实践工程师和研究人员发现，将PBEE框架作为常规设计过程的一部分实施是具有挑战性的，至少对于传统结构来说，这在很大程度上仍然是规定性的。在过去的十年中，已经开发了许多计算机辅助工具来促进PBEE过程[8这些工具中的大多数要么提供相当有限的交互式用户界面，要么具有有限的可视化功能的复杂界面。其他软件仅可此外，许多工具没有将当前最先进的技术纳入基础设施系统的地震生命周期分析。为了应对上述挑战，开发了一个开源计算平台/软件，称为地震风险、损失和生命周期分析（EaRL）。新平台整合了最先进的建筑物特定损失估算方法和广泛的选项，以量化、可视化和报告地震后基础设施系统的总损失和分类损失。软件中集成了几个度量标准，以满足不同用户的需求。为了促进开放科学，EaRL被编译为一个独立的软件，具有在Matlab [13]编程环境中开发的模块化设计，这在土木工程和研究社区中相当流行。它允许用户修改和改进现有的代码功能，并贡献新的代码和功能，所有这些都是当代研究的热点。平台/软件开发和协作通过GitHub提供。2. 软件描述2.1. 软件构架EaRL的操作概要如图所示。二、该大纲遵循四个基本的顺序步骤来确定一个损失项目。首先，定义建筑物数据（例如，层数、建筑面积、重置成本等），随后是关于结构系统和建筑物内容数据的相关信息结构和非结构元素/内容），结构响应数据（即，EDP沿建筑物高度），最后，地震危险性数据。基本项目定义由多个补充模块支持，以进一步定义人口模型（即，建筑物相对于时间），损坏易损性（修改现有易损性和/或添加新的易损性），修复时间方案（即，订明不同楼层不同组件的维修次序），以及结构的拆卸和倒塌易损性。组件数据和响应数据步骤的定义由第2.2节中简要讨论的许多选项支持。一旦一个项目被完全定义，基于故事的损失（即，DV）可以被计算。对于该计算，EaRL结合了文献中可用的主要两种基于建筑特定楼层的损失估计方法。第一种方法最初是在太平洋地震工程研究中心（PEER）框架内开发的[1，4，14，15]。该方法基于全概率定理，利用后果函数、损伤易损性函数和响应数据的积分来计算期望损失。第二种方法是由Yang [16]开发并在FEMA P-58[17，18]中实现的方法。该方法依赖于改进的蒙特卡罗方法[19]，以使用种子数据生成大量人工结构响应数据（实现），然后将其用于查询建筑物中的损坏。EaRL的主控制台如图所示。3 .第三章。软件界面分为四个直观布局的面板。A组：项目文件管理; B组：基本项目定义; C组：补充项目定义和特点; D组：计算选项、结果可视化和报告。EaRL项目保存在一个可传输和可编辑的.mat文件中;因此简化了协作者之间的项目共享。2.2. 软件功能和特性EaRL量化DV的数量（即，损失度量），包括：(1) 结构倒塌和拆除的概率;（2）与结构倒塌、拆除建筑物和损坏维修相关的货币成本;（3）对建筑物结构/非结构部件进行直接损坏维修所需的时间;（4）由于结构损坏造成的预期伤亡人数;（5）在重大损坏水平下发布不安全告示EaRL包括一些新的和有用的功能，以帮助损失项目的定义;一些主要的突出如下：构件数据：有两个选项可用于定义建筑内容：– 明确定义，用户手动定义建筑物中每个组件的类型、数量和位置。这一过程通过直观的交互式界面得以简化。它还得到了FEMA P- 58 [18]的集成组件易损性数据库的支持，该数据库包括750多种不同的组件易损性函数。– 使用基于故事的Loss-EDP函数的隐式定义。EaRL中包含了两个这样的功能;分别由Ramirez和Miranda [9]和Pa- padopoulos [20]开发的钢筋混凝土和钢结构建筑。其他损耗EDP功能也可以由用户定义。响应数据：结构响应数据，即，EDP可以从不同类型的动态分析过程以及非基于模型的方法中获得。在这方面，EaRL提供了六种不同的方法来导入或生成此类数据，最值得注意的是：··A. 埃尔卡迪和D. 吕什软件X 12（2020）1006073图1.一、基 于 性能的地震工程框架概述。图二、EaRL的操作程序概要。图三. EaRL– 现有的EDP数据可以通过预先格式化的EXCEL表格简单地导入EaRL。这些是亲-在单一或多个地震烈度水平的反应历史分析。与软件一起观看。EaRL支持数据由不同的分析程序产生，包括增量 动态 分析 [21日]和非线性–选项.第一个使用集成的开源A. 埃尔卡迪和D. 吕什软件X 12（2020）1006074图四、Ea R L 的 可 视 化选 项 模 块 和 交互 式 界 面 之一， 用 于 可 视 化 汇 总 结 果 。OpenSEES仿真平台[22]，用于分析一套地震记录下的第二种选择采用FEMA P-58简化分析方法[23]，该方法具有建筑物的线性数值模型、静态分析和补充回归方程。损伤易损性：组件数据定义由综合交互模块支持，以探索和修改集成易损性数据库参数和/或添加新的单变量和多变量损伤易损性函数及相关后果。拆除脆弱性：EaRL包括作者最近开发的一种方法，用于量化建筑物拆除损失-基于考虑横向和垂直剩余漂移的双变量脆弱性函数[24]。可视化和报告：综合模块被纳入，以矢量图形格式的图形以及文本文件报告的形式传达损失分析结果。图4显示了EaRL的众多可视化功能之一。同一图中还显示了其中一个交互式结果汇总界面。从本质上讲，用户能够选择替代方法来可视化和分解基于情景的损失评估的经济损失结果。损失分析数据，组织在一个标题表的格式，可以提取进一步的独立处理的用户。3. 影响和结论本文介绍了一个新的基于Matlab的计算平台/软件，称为地震风险、损失和灾害分析（EaRL），它为评估自然灾害对建筑环境和社区的影响提供了一个交互式和用户友好的据设想，该软件平台将反过来帮助利益相关者、（再）保险公司和建筑业主做出明智的设计/改造决策，以减轻地震灾害对我们的建筑基础设施的影响，并可能优化地震生命周期基础设施资产的表现。作为一个开源软件，EaRL为世界各地的研究人员和实践工程师合作并为其Meta数据，功能和交互功能做出贡献铺平了道路选择Matlab和GitHub环境，以及该平台完整的技术手册可在平台GitHub存储库中获得，包括说明性的分步示例。全面的视频教程也可以在专门的YouTube播放列表中找到：https：//www 。 你 是 我 的 。 什 么 时 候 ？ list=PLz_XdUL-6Y_nbmyXU7Pcdg_XDwvwgGXjF.竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢作者感谢韩国东国大学的Seong-Hoon Hwang博士对PEER方法代码的早期贡献。部分工作得到了瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）弹性钢结构实验室（RESSLab）、瑞士国家科学基金会奖号CRSK-2_190535和英国南安普敦大学国家基础设施实验室（NIL）的资助。我们非常感谢和赞赏这种支持。引用[1]Cornell CA ， Krawinkler H. 抗 震 性 能 评 估 的 进 展 与 挑 战 。 Peer CenterNews2000;3（2）：1-3.[2]联 邦 应 急 管 理 局 建 筑 物 抗 震 加 固 预 标 准 及 评 述 。 Report FEMA-356 ，Washington，DC：Federal Emergency ManagementAgency;2000.[3]SEAOC。基于性能的建筑抗震工程。加州萨克拉门托：加 州 结构工程师协会（SEAOC）; 1995年。[4]作者声明：J.基于性能的地震工程框架方法.第13届世界地震工程会议。2004;加拿大温哥华。···A. 埃尔卡迪和D. 吕什软件X 12（2020）1006075[5] 波特卡。PEER基于性能的地震工程方法概述。第九届土木工程统计与概率2003;美国旧金山[6] Hwang S-H，Lengs DG.钢结构建筑物地震风险和损失快速评估的非模型基框架。工程结构2018;156：417-32。http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2017.11.045网站。[7] Bravo-Haro MA， et al.考虑退化效应的钢框架的漂移和旋转要求 BullEarthq Eng.http://dx.doi.org/10.1007/s10518-018-0389-6.[8] Mitrani-Reiser J.一盎 司的 预防 ： 基于 性能 的地 震工 程的 概率损 失估 计。Pasadena，CA，USA：CaliforniaInstitute of Technology;2007.[9] 放大图片作者：Miranda E.简化的基于性能的地震工程的建筑物损失估算方法和工具。号报告171，Stanford，CA：The John A.斯坦福大学布卢姆地震工程中心;2009年。[10]联邦应急管理局建筑物的抗震性能评估.第3卷.性能评估计算工具（PACT），版本2.9.65 Report P-58-3.1，Washington，DC，USA：Washington，DC，USA：Federal EmergencyManagement Agency;2012.[11]SP3.地震性能预测计划。Chico，CA，USA：HaseltonBakerRisk Group，LLC; 2017.[12]ZsartzayA，et al.NHERI-SimCenter/PBE. 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