Bukovics Ádám
Épületszerkezetek állapotelemzése és fuzzy szignatúra alapú beavatkozási döntéstámogató modellezése c. doktori értekezés tézisei
témavezetı: Dr. habil. Koppány Attila CSc
Széchenyi István Egyetem Infrastrukturális Rendszerek Modellezése és Fejlesztése Multidiszciplináris Mőszaki Tudományi Doktori Iskola
Gyır, 2012.
TARTALOMJEGYZÉK
TARTALOMJEGYZÉK..................................................................... 2 1.
BEVEZETÉS .............................................................................. 3
2.
KUTATÁSI TÉMA, A TÉMA AKTUALITÁSA...................... 3
3.
KUTATÁSI CÉLKITŐZÉSEK.................................................. 5
4.
ALKALMAZOTT MÓDSZEREK............................................. 7
5.
AZ ÉRTEKEZÉS TÉZISEI........................................................ 9
6.
ÖSSZEFOGLALÁS ................................................................. 13
7.
PUBLIKÁCIÓK JEGYZÉKE .................................................. 15
2
1. BEVEZETÉS Meglévı épületállományunk jellemzıinek és állapotának számontartása és feldolgozása fontos nemzetgazdasági érdek. Doktori értekezésem témájául ezt a területet választottam. Célom olyan módszer kidolgozása, melynek eredményeként az egyes épületek állapotát egy - általam állapotjellemzınek nevezett - viszonylag objektív számmal lehessen kifejezni, és ezek ismeretében az épületek rangsorba állítására lehetıség nyíljon. Olyan rangsoroló módszert dolgoztam ki, amely a különbözı prioritások figyelembe vételével változtatható. Fenti célok eléréséhez a fuzzy szignatúra alapú modell alkalmazását tartottam célszerőnek. Mivel a kutatás egyaránt érint építımérnöki, építészmérnöki, matematikai és informatikai tudományterületet is, így a választott téma jól illeszkedik a Széchenyi István Egyetem Multidiszciplináris Mőszaki Tudományi Doktori Iskolájának több tudományterületet átfogó szakmai jellegéhez.
2. KUTATÁSI TÉMA, A TÉMA AKTUALITÁSA Budapest város fejlıdése sok tekintetben jelentısen eltért a világ többi metropoliszáétól, mivel a város néhány évtized alatt fejlıdött világvárossá. A XIX. század végén és a XX. század elején új lakókerületek sora nıtt ki a földbıl, természetesen a korra jellemzı épületszerkezeti és építéstechnológiai megoldásokat alkalmazva. 1869 és 1900 között például 450.000 fıvel nıtt a város népessége és több mint 129.000 lakás épült. Az ebben a korban emelt épületek jelentıs része ma is létezik, és a mai városkép meghatározó elemei. A város ezen idıszakbeli lakóépületállományának egy része nagyon rossz állapotban van. Az épületek jelentıs részénél statikai, funkcionális és szociális leromlás is jelentkezik. Sok a félkomfortos vagy komfort nélküli lakás és elrendezésük sem mindig ideális. Eddigi ismereteink és
3
reprezentatív vizsgálataink alapján valószínősíthetı, hogy a releváns épületek élettartama, illetve állékonyság-csökkenése elért egy kritikus határt. Mivel egy idıben épült nagy tömegő épületállományról van szó, ezért nem egyedi, hanem globális problémáról beszélhetünk. A budapesti lakóépületállomány egy jelentıs részének azonos idıszakban várható rohamos elöregedése miatt mielıbbi intézkedések indokoltak.. Ezen kutatás eredményei megkönnyíthetik a fıváros városrész-rehabilitációs elképzeléseinek megvalósítását, valamint az egyes leromlott állagú épületek hasznosításánál és felújításánál is alkalmazható. Az épületek felújítása, állagmegóvása során elkövetett hibák, hiányosságok elemzése a hasonló épületek felújításánál lehetıséget ad a hibák ismételt elkövetésének megelızésére. Az építési és üzemeltetési hibák elkerülésével jelentıs pénzügyi megtakarítások érhetı el. A vizsgálatok az egyes történelmi korok demográfiai és szociális helyzetének megismeréséhez is hasznosíthatók. Segítséget nyújthatnak a felújításokra (rehabilitációra) fordítható gazdasági erıforrások optimális elosztásához. A meglévı épületállomány nemzeti vagyonunk számottevı részét képezi. Nem mindegy, hogy épületeink milyen állapotban vannak, a meglévı épületállomány fenntartása, felújítása, az épületek felújítási sorrendjének meghatározása nemzetgazdaságilag is fontos feladat. Mivel az erıforrások csak korlátozottan állnak rendelkezésre, fontos, hogy az adott intézkedés, illetve intézkedés-sorozat megfelelıen javítsa az épületállomány minıségét, és mindezt költséghatékony módon tegye. Célszerő egy állapot-meghatározó, döntéstámogató és rangsoroló módszert kidolgozni, amely a késıbbiekben segítséget nyújthat az erıforrások optimális felhasználásához, illetve annak eldöntéséhez, hogy mely lakóépületek szerkezeti megerısítése, felújítása élvezzen prioritást.
4
3. KUTATÁSI CÉLKITŐZÉSEK A mai budapesti lakóépület-állomány jelentıs része - különösen a belsı kerületekben - a XIX. század végén, illetve a XX. század elején épült. A kutatás során egy, ebben a korban épült budapesti lakóépület-állomány épületeire vonatkozó, nagyszámú, részletes mőszaki-statikai szakvélemény (állagvizsgálat értékelı elemzés) állt rendelkezésemre, melynek alapján épületszerkezeti és épületdiagnosztikai elemzések céljára, valamint fuzzy szignatúra alapú állapot-meghatározó és rangsoroló modell elkészítéséhez egy adatbázist hoztam létre. Az adatbázis hivatalos szakvéleményeken alapuló biztonságos és egyedi adatállomány feldolgozásával jött létre, amely így egy olyan reprezentatív nagy minta, melynek vizsgálatából egzakt tudományos következtetéseket lehet levonni. A szakvéleményeket tudományos szempontból eddig senki sem dolgozta fel, így szintetizált eredmények nem álltak rendelkezésre. Budapest lakóépület-állományának jelentıs része ezekkel az épületekkel egy idıben épült, hasonló szerkezeti kialakítású és állagú, ezért ezen épületek szerkezeteinek és meghibásodásainak vizsgálata és diagnosztizálása alkalmas arra, hogy a fıváros más városrészeiben lévı hasonló beépítésekrıl is általános következtetéseket vonjunk le. Az épület szerkezeti anyagainak, valamint rendszereinek ismerete lehetıvé teszi, hogy felderítsük a rájuk jellemzı, tipikus meghibásodásokat, illetve azok gyakoriságát. Az épületek állapotát meghatározó legfontosabb tényezık: építészeti (funkcionális és esztétikai), szerkezeti (ezen belül is elsısorban tartószerkezeti), valamint épületgépészeti, elektromos jellemzıik, kialakításuk. Kutatási tevékenységem során fentiek közül az épületek tartószerkezeteivel, azok állapotával, szükséges felújításukkal, és az épületek állapotának modellezési lehetıségeivel foglalkoztam. Célom olyan módszer kidolgozása, amely az egyes épületek állapotát egy objektív számmal, az állapotjellemzıvel fejezi ki.
5
Az épületre vonatkozó állapotjellemzı meghatározásához szoftver kifejlesztése szükséges, mely szoftver bemenı adatai egy-egy épület jellemzı szerkezeti kialakítását, valamint a vizsgálat idıpontjában a szerkezetek állapotát tartalmazzák. Célom, hogy ezen bemenı adatok meghatározása egyszerő módszerekkel, és viszonylag objektív módon történjen, azonos kérdésekre adható válaszok közötti választás lehetıségét biztosítva. Fontosnak tartom, hogy a szakvélemény készítıjének az épületre vonatkozó, szubjektív megítélése lehetıleg minimálisra csökkenjen. Az állapotjellemzı meghatározása után lehetıség nyílik egy konkrét épületcsoport épületeinek rangsorba állítására. Célom, hogy a különbözı prioritások figyelembe vételével a rangsor könnyen és gyorsan változtatható legyen, és ezt a rangsort a döntéshozók az épületállomány további sorsáról történı döntéseiknél fel tudják használni. Fenti célok megvalósításához a fuzzy logikán alapuló módszert megfelelınek tartottam. A fuzzy logikát sok tudományterületen alkalmazták már sikeresen. Megvizsgáltam, hogy a fuzzy logika az épületdiagnosztika területén milyen eredményességgel alkalmazható. Célom, hogy létrehozzak egy olyan fuzzy szignatúra alapú modellt, amelyik alkalmas egy épületállomány vizsgálatára, állapot-meghatározására, és döntéstámogató rangsorolására. Az elkészített modellt az adatbázis vizsgálatán keresztül mutatom be.
6
4. ALKALMAZOTT MÓDSZEREK
Az alábbi kutatási módszereket alkalmaztam a disszertáció elkészítése során. -
hazai és nemzetközi szakirodalom tanulmányozása Tanulmányoztam a XIX. század végére és a XX. század elejére jellemzı építési technológiákat és az ebben a korban épült lakóépületek jellemzı károsodásait. Áttanulmányoztam az épített szerkezetek állapot-meghatározására eddig alkalmazott módszereket és kutatásokat. Megvizsgáltam, hogy a fuzzy logikát és a fuzzy szignatúrákat a korábbiakban mely tudományterületeken és milyen céllal, eredményességgel alkalmazták.
-
adatbázis létrehozása A rendelkezésemre álló szakvélemények alapján létrehoztam egy adatbázist, amelyben épületszerkezeti és épületdiagnosztikai/épületpatológiai adatokat győjtöttem össze. Az adatbázis létrehozása és kezelése a Microsoft Excel program segítségével történt.
-
összehasonlító elemzés Az adatbázisban lévı lakóépületeket épületszerkezeti, épületdiagnosztikai és építéspatológiai szempontok alapján hasonlítottam össze. Az összehasonlító elemzés részben táblázatok és grafikonok segítségével készült.
-
a rangsoroló és döntéstámogató modell felállításához szükséges paraméterek meghatározása Meghatároztam azokat a paramétereket, amelyek jelentısen befolyásolhatják egy a vizsgált épületszerkezet állapotát és a döntéstámogató modell felállításánál ezekre a paraméterekre, mint bemenı alapadatokra támaszkodtam.
7
A fuzzy szingleton szignatúra alapú modell felépítéséhez meghatároztam a szükséges relevancia súlyokat és aggregációs operátorokat. Ehhez a Súlyozott Relevanciájú Általános Hatványközép Aggregációs Operátort (WRAO) alkalmaztam. Meghatároztam a tagsági értékeket normál- és finomhangolásos módszer alkalmazása esetén. Felépítettem a fuzzy szingleton szignatúra struktúráját és ábrázoltam vektorformás és fastruktúrás alakban. A tagsági értékek meghatározására kidolgoztam egy módszert, ami a szerkezeteken bekövetkezı - közvetlenül vagy közvetve - észlelt károsodásokon túl figyelembe veszi a szerkezetek egyéb paramétereit és azoknak a szerkezet minıségére gyakorolt hatását. A tagsági értékeket valós fuzzy értékkészlet (R-fuzzy) alkalmazásával határoztam meg. A módszer kidolgozásánál a fuzzy algebrai unió, a fuzzy inverz unió és a fuzzy algebrai metszet fuzzy operátorokat alkalmaztam. -
a fuzzy szignatúra alapú modell tesztelése Az adatbázis felhasználásával elemeztem a finom- és a normálhangolásos módszer alkalmazása esetén kapott értékeket. Megvizsgáltam a fuzzy szignatúra alapú modell érzékenységét lingvisztikus approximáció alkalmazásával. Megvizsgáltam az R-fuzzy algebrai struktúra a kutatási területen való alkalmazhatóságát
8
5. AZ ÉRTEKEZÉS TÉZISEI
1. téziscsoport Megvizsgáltam a fuzzy szingleton szignatúra alapú modellezési technikát a lakóépületek tartószerkezeteinek állapot-meghatározására történı alkalmazhatósága szempontjából és vizsgálataimmal bebizonyítottam, hogy ezen a területen használható és elızmény nélküli.
1.1. altézis Fuzzy szingleton szignatúra alapú módszert dolgoztam ki, amelyik alkalmas hasonló szerkezeti rendszerő és anyaghasználatú épületcsoport esetén az épületek szerkezeti minısítésének meghatározására.
1.2. altézis Bemutattam, hogy a módszer alkalmas egy konkrét épületállomány épületszerkezeti állapot, illetve különbözı szerkezeti prioritások szerinti rangsorolására.
A tézishez kapcsolódó publikációk: [3], [4], [5], [7], [9]
2. téziscsoport Az 1. téziscsoportban kidolgozott módszerrel konkrét példákra különbözı finomságú lingvisztikus értékkészletekkel (kvalitatív felbontásokkal) elvégeztem a vizsgálatot, hogy ezen keresztül megállapítsam, milyen finomságú modellezésre van szükség ahhoz, hogy a gyakorlati célra alkalmazható eredményeket kapjak.
9
2.1. altézis Létrehoztam egy úgynevezett finom értékkészletet, amelyik 21 kvalitatív címkét tartalmaz, valamint egy mindössze három lingvisztikus címkét (nyelvi változót) alkalmazó normál értékkészletet és ugyanarra az épületállományra elvégeztem a javasolt modell szerinti számításokat. Megállapítottam, hogy a vizsgált adatbázis esetében a három lingvisztikus értéket használó közelítı tagsági értékekkel dolgozó módszer eredményei 94,1 %-ban jól közelítik a 21 címkét használó úgynevezett „finom” értékkészletet használó módszer eredményeit. (A µ1 összesített aggregált állapotleírók közötti eltérés 0,1 értéken belül van.) Ennek alapján arra a következtetésre jutottam, hogy a három értéket használó közelítı tagsági függvényekkel dolgozó módszer elegendı pontosságú értékeket eredményez abban az esetben, ha gyors és költségkímélı vizsgálat szükséges.
2.2. altézis Az eredmények bemutatására bevezettem egy-egy 10 illetve 20 elemő értékkészletet tartalmazó skálát. Megállapítottam, hogy lakóépület-állományok esetén a végsı értékelésnél célszerő lingvisztikus approximációt alkalmazni, így a hasonló állapotú épületek azonos kvalitatív csoportba kerülnek, és nem kell szigorúan ragaszkodni a módszer segítségével kapott besorolási értékhez. Megállapítottam, hogy az eredményként kapott lingvisztikus approximációk közül a 10 elemő értékkészletet használó elegendı pontosságot eredményez az épületek állapotának rangsorolásához.
A tézishez kapcsolódó publikációk: [3], [4].
10
3. tézis A vizsgálat során külön hierarchikus alcsoportba (szignatúra részfába) soroltam a teherhordó és az azokat védı szakipari szerkezetek jellemzı komponenseit. Kidolgoztam egy olyan módszert, amellyel külön értékelve a teherhordó szerkezeteket, illetve a szakipari szerkezeteket, arra kapunk ajánlást, hogy a gyors állagromlás megelızése érdekében mely épületeknél szükségesek azonnali, illetve sürgıs beavatkozások.
A tézishez kapcsolódó publikációk: [3], [4].
4. tézis Az R-fuzzy axiómarendszernek eleget tevı szigorúan monoton fuzzy operátorok (pl. az un. algebrai operátorok), valamint az ezekbıl levezethetı inverz unió alkalmasak a módosító tényezık figyelembevételére, illetve a konkrét számítások elvégzésére. Megállapítottam, hogy a fuzzy algebrai unió, a fuzzy algebrai metszet és a fuzzy inverz unió alkalmazásával meghatározhatók a teherhordó szerkezetek minıségét jellemzı tagsági értékek. Tetszıleges n számú pozitív ( µ i ) és m számú negatív ( α i ) az eredı tagsági értékeket ( µ P és
α N ) befolyásoló fuzzy tényezı esetén az eredı pozitív illetve nega-
tív tagsági érték kiszámítása a fuzzy algebrai unió ismételt alkalmazásával javaslatom szerint a következı képlettel (szita formula) adható meg. (A De Morgan összefüggés felhasználásával levezethetı zárt alak feltüntetésével):
µP = µ n
U Ai
i =1
n
n
n
n
i =1
i≠ j
i =1
i =1
= ∑ µi − ∑ µi ⋅ µ j ± K ± (−1) n −1 ⋅ ∏ µi = 1 − ∏ (1 − µi ) i =1
11
αN = α m
U Ai
m
m
m
m
i =1
i≠ j
i =1
i =1
= ∑ α i − ∑ α i ⋅ α j ± K ± (−1) m −1 ⋅ ∏ α i = 1 − ∏ (1 − α i )
i =1
i =1
A fuzzy algebrai inverz unió illetve a fuzzy algebrai metszet alkalmazásával egy felsı
(λ SUP ) és egy alsó (λ INF ) becslést kapunk a vizsgált szerkezet (általános
állapotát jellemzı) tagsági értékére.
λSUP =
µ P ⋅ (1 − α N ) 1 − µ P ⋅α N
λ INF = µ P ⋅ (1 − α N ) Összevetettem a kétfajta becslés eredményeként kapott tagsági értékeket a szakértıi értékeléssel, és azt találtam, hogy az utóbbit a két érték közepe jól közelíti.
λ AVG =
λ INF + λ SUP 2
A tézishez kapcsolódó publikációk: [1], [2].
12
(λ INF , λ SUP ) számtani
ÖSSZEFOGLALÁS A lakóépületek állapotának meghatározása és döntéstámogató rangsorolása fontos feladat. Doktori értekezésem elsı részében egy budapesti kerületben lévı nagyszámú lakóépületre vonatkozó részletes mőszaki-statikai szakvélemény vizsgálatával foglalkoztam. A szakvélemények alapján létrehoztam egy adatbázist, amelynek a segítségével az épületállományokat elemeztem épületszerkezeti, épületdiagnosztikai és épületpatológiai szempontok alapján. A vizsgált épületek szerkezetei, anyaghasználatuk és károsodásuk között összefüggéseket fedeztem fel, melyek hasonló épületállományok vizsgálatánál jól hasznosíthatóak. Vizsgálataim tapasztalatait felhasználva létrehoztam egy számítási modellt, amely az épület szerkezetei és állapota alapján egy úgynevezett állapotjellemzı értéket számít, melynek értéke 0 és 1 közé esik. A számításhoz fuzzy szingleton szignatúra alapú modellt készítettem. Ez alapján az épületállományra vonatkozóan egy beavatkozási döntéstámogatásra alkalmas rangsor állítható fel. A módszer alkalmas különbözı prioritási szempontok figyelembevételére. A felállított modellt a létrehozott adatbázis felhasználásával vizsgáltam. Megvizsgáltam, hogy milyen esetekben milyen finomságú - a vizsgált teherhordó szerkezetek állapotát jellemzı - tagsági értékeket célszerő alkalmazni. A következı lépésben a tagsági értékek meghatározására egy olyan módszert dolgoztam ki, amely a szerkezeteken bekövetkezı – a vizsgálat idıpontjában észlelt károsodásokon túl - a szerkezetek egyéb paramétereit és azoknak a szerkezet minıségére gyakorolt hatását is figyelembe veszi. A módszert a kiterjesztett valós értékkészlető fuzzy értékek felhasználásával dolgoztam ki. Az R-fuzzy mőveletei alkalmasak különbözı szempontok együttes figyelembevételére.
13
Javaslom a fuzzy szignatúra alapú modell fastruktúrájának olyan kiterjesztését, amely a tartószerkezeti szempontokon túl a lakóépületek egyéb jellemzıit (például fényviszonyok, hıszigetelı képesség, alaprajzi elrendezés) is figyelembe veszi. A
módszer
célszerően
alkalmazható
más
épített
infrastruktúrális létesítmények állapotának értékelésére is.
14
szerkezetek
és
6. PUBLIKÁCIÓK JEGYZÉKE
Kapcsolódó publikációk:
[1] Ádám Bukovics, László T. Kóczy: Creating a model to define the membership values using real fuzzy set of values (R-fuzzy). IAHS 39th World Congress on Housing Sciences. Milan. Italy. 2013. (közlésre benyújtva)
[2] Ádám Bukovics, László T. Kóczy: Fuzzy signatures and R-fuzzy sets applied for evaluating conditions of buildings. Fifth Gyır Symposium and First Hungarian-Polish Joint Conference on Computational Intelligence. Gyır. 2012. (összefoglaló a konferencia-kiadványban)
[3] Bukovics Ádám, Kóczy T. László: Fuzzy szignatúra alapú modell alkalmazása lakóépületek minısítésére és rangsorolására. XXXIII. Épületszerkezettani Konferencia. Sopron 2012 (konferencia-kiadvány megjelenés alatt)
[4] Ádám Bukovics, László T. Kóczy: Fuzzy signature-based model for qualification and ranking of residential buildings. IAHS XXXVIII. World Congress on Housing Sciences. Istanbul. Turkey. 2012. p: 290-297
[5] Ádám Bukovics, László T. Kóczy: The application of fuzzy signature model for evaluating and ranking of load-bearing structures of residential buildings. 4. Gyır Symposium on Computational Intelligence. Gyır. 2011. (összefoglaló a konferencia-kiadványban)
15
[6] Adam Bukovics: Examination of tenement houses in respect of social environment and the construction technology featuring the time of the construction thereof. IAHS World Congress on Housing Sciences. Santander. Spain. 2010. p: 358 (code: 1018)
[7] Adam Bukovics: Pathological analysis of suspension corridor and floor structures of residential buildings. CIB World Congress. Salford Quays. Manchester. UK. 2010. p: 98 (code: 626)
[8] Bukovics Ádám: Budapesti lakóépületek szerkezeti és épületdiagnosztikai elemzése – 3. rész. Födémszerkezetek és tetıszerkezetek. Magyar Építıipar. Bp. 2009. 3. sz. p: 87-90
[9] Adam Bukovics: Building diagnostic and pathological analysis of residantial buildings of Budapest. PATORREB 2009 3° Encontro Sobre Patologia E Reabilitacao de Edificios. Porto 2009. p: 1025-1030
[10] Bukovics Ádám: Budapesti lakóépületek szerkezeti és épületdiagnosztikai elemzése – 2. rész. Szigetelések, fal- és függıfolyosó szerkezetek. Magyar Építıipar. Bp. 2009. 2. sz. p: 58-61
[11] Bukovics Ádám: Budapesti lakóépületek alapozásának szerkezeti és épületdiagnosztikai elemzése – 1. rész. Magyar Építıipar. Bp. 2009. 1. sz. p: 11-15
[12] Bukovics Ádám: Az építési patológia szerepe és jelentısége. Kitekintés nemzetközi kutatásokra. Magyar Építıipar. Bp. 2008. p: 92-95
16
Egyéb publikációk:
[13] Bukovics Ádám: A síkalapok talajtöréssel szembeni biztonsága a megbízhatósági eljárás szerint. Mélyépítés. Bp. 2008. 1. szám p: 22-27
[14] Adam Bukovics: Safety against bearing resistance failure of spread foundation using reliability method. Pollack Periodica. Volume 2. Number 2/ August 2007. Pécs. p: 51-62
[15] Bukovics Ádám: Alapozási hibák miatti süllyedések családi házaknál. Magyar Építıipar. Bp. 2007. III. szám p: 172-176
[16] Adam Bukovics: Safety of bearing resistant of spread foundation according to the reliability method. Second International PhD Symposium in Engineering. Pécs, 2006. p:15-16 (összefoglaló a konferencia-kiadványban)
17
