A framework for BIM-based assessment of seismic performance of existing RC buildings

Abstract

Despite the mature state of BIM software in the context of structural design, particularly in concern to the desirable interoperability between BIM authoring tools and structural design software, there is still a technical/research gap in the scope of the exchange of competent data towards a seismic analysis of existing buildings (e.g. following the recommendations of Eurocode 8 – Part 3). This dissertation aimed to develop a BIM-based framework to facilitate the process of seismic analysis of existing reinforced concrete (RC) buildings, through a streamlined set of modelling rules and interoperability between Autodesk Revit (BIM authoring tool) and SeismoStruct (seismic analysis software). This is achieved through a visual programming script developed in Dynamo. The developed script is able to export geometry, sections, material properties, supports as well as the reinforcement data for structural columns and beams. Furthermore, as infill walls can play a significant contribution to the seismic capacity of the building, they are also considered in the framework. This is considered an important contribution of this framework, as infill walls are normally ignored in the usual design office during a seismic assessment of existing buildings. The interoperability script is able to query the necessary information from the BIM model and export it to an XML (Extensible Mark-up Language) that can be directly recognized by the seismic analysis software. The non-linear static analysis (i.e. pushover analysis) is then performed in Seismostruct. Based on the capacity curves obtained from the pushover analysis for the structure with and without infill walls, the conclusions about the effectiveness of infill wall in RC structures can be made. Upon preparation of the framework, its operational capacity was assessed on an academic-oriented example of a regular 4 storey building. Lastly, the developed framework/script was tested and evaluated on a case study based on a real building, with some degree of irregularity. The seismic capacity of the building was evaluated using pushover analysis, with an evaluation of the beneficial effects of consideration of infill walls. It was concluded that the framework operated in a suitable manner, allowing the quick translation of data from the BIM authoring tool towards the seismic analysis software, thus permitting the structural engineers to concentrate on design tasks rather than repetitive and error-prone activities of parsing information between software. Two special features are highlighted in concern to the original contributions of the developed framework/script: (i) it allows the easy consideration of infill walls in the BIM model and hence in the seismic calculation, thus allowing more realistic assessments; (ii) a method to input reinforcement data based on non-graphical data was proposed, facilitating the quickness of the input of information to the BIM model (and hence to the seismic analysis) as compared to the alternative need to model all reinforcement bars of the building.

Apesar do estado de elevada maturidade dos software BIM no contexto do projeto de estruturas, particularmente no que diz respeito à desejável interoperabilidade entre plataformas de modelação BIM e aplicações para análise/dimensionamento estrutural, há ainda lacunas técnicas importantes no contexto das trocas de informação competentes no contexto particular da análise sísmica de edifícios existentes (p.ex. em coerência com as recomendações do Eurocódigo 8 – parte 3). Nesta dissertação pretendeu-se desenvolver uma metodologia baseada em BIM para facilitar o processo de análise sísmica de edifícios existentes em betão armado (BA), através dum conjunto de regras de modelação e ferramenta de interoperabilidade entre Autodesk Revit (plataforma de modelação BIM) e SeismoStruct (aplicação de análise estrutural). Para isso, foi utilizado um código em linguagem de programação visual desenvolvido em Dynamo. O código desenvolvido é capaz de exportar geometria, secções, propriedades de materiais, apoios e dados sobre a armadura nos pilares e vigas. Além disso, tendo em conta que as paredes de enchimento podem ter um papel relevante no contributo para o desempenho sísmico dos edifícios, a sua existência é considerada de forma explícita na metodologia aqui proposta. Esta é considerada uma contribuição importante desta metodologia, uma vez que as paredes de enchimento são normalmente ignoradas na prática corrente de avaliação de desempenho sísmico de edifícios em contexto de gabinetes de projeto. O código de interoperabilidade proposto é capaz de analisar a informação necessária do modelo BIM e exportá-la no formato XML (Extensible Mark-up Language), que é reconhecido diretamente pelo software de análise sísmica utilizado. A análise não linear estática (i.e. análise pushover) é seguidamente realizada no SeismoStruct. Com base nas curvas de capacidade obtidas na análise pushover, e tendo em conta a análise de cenários com e sem paredes de enchimento, é possível tirar ilações sobre o comportamento sísmico dos edifícios e do papel dessas mesmas paredes. Durante a preparação da metodologia, a sua capacidade operacional foi validada num exemplo académico de um edifício regular de 4 pisos. Finalmente, a metodologia desenvolvida foi testada e avaliada num caso de estudo baseado em edifício real, com algum grau de irregularidade. A capacidade sísmica do edifício foi aferida com análise pushover, com avaliação dos benefícios da consideração das paredes de enchimento. Concluiu-se que a metodologia funcionou de forma adequada, permitindo a rápida transposição de dados da plataforma de modelação BIM para o software de análise sísmica, permitindo, portanto que os Engenheiros de Estruturas se concentrem em tarefas de projeto/engenharia, em vez de investirem tempo em tarefas repetitivas e suscetíveis a erro na troca de informação manual entre software. Relevam-se as duas características especiais que se afiguram como as contribuições mais originais da metodologia desenvolvida no presente trabalho: (i) permite a consideração facilitada das paredes de enchimento na análise sísmica a partir de informação do modelo BIM, conduzindo a análises mais realistas (em oposição à tendência corrente de ignorar as paredes de enchimento); (ii) é proposto um método de modelação das armaduras baseado em informação não gráfica, facilitando a rapidez da introdução de informação no modelo BIM (e consequentemente na análise sísmica), quando comparado com a potencial alternativa de modelar todas as armaduras do edifício.