Seismic risk assessment for high-rise buildings in Beijing based on 3D physics-based numerical simulations

The main objective of this work is to carry out seismic risk assessment studies for the urban area of Beijing, China, using an advanced representation of seismic hazard based on deterministic 3D physics-based numerical simulations of ground shaking from the source to the site. For seismic risk assessment for a specific class of buildings, i.e. high-rise buildings, has been considered, as it is an important component of building stock in China. In general, the seismic risk assessment uses seismic hazard information combined with the suitable vulnerability models of structures and/or facilities in order to estimate the probabilities of damages and to measure expectancies of losses. Regarding the hazard assessment, innovative simulation-based tools for characterization of earthquake ground motion prediction have been used, as opposed to standard tool based on Ground Motion Prediction Equations (GMPEs). This approach makes use of 3D physics-based numerical simulations of earthquakes (3DPBNS), including a detailed model of the seismic source, the propagation path and local geology (e.g. alluvial basin). Such tools are particularly appealing for earthquake ground motion prediction in those cases where earthquake records are scarce, such as in the near-source region of large earthquakes. The 3D earthquake scenarios have been generated with a high-performance spectral element code called SPEED (http://speed.mox.polimi.it/). Regarding vulnerability assessment, existing fragility curves for high-rise buildings in China were used. Combining the ground motion scenarios produced by the 3DPBNS with the selected fragility curves, the probability of exceedance of each damage state and mean damage ratios have been obtained. Consideration of a rather wide set of earthquake scenarios with magnitude ranging from 6.5 to 7.3 has allowed to evaluate also the variability of the seismic damage scenarios. Comparisons of results obtained from GMPEs and 3DPBNS have been carried out in order to verify the differences of two approaches. Finally, sensitivity of results to the fragility curves was addressed to check the variability of the seismic risk assessment with respect to the vulnerability model. Results of the study demonstrate that compared to the standard empirical methods, 3D physics-based numerical simulation could provide a more accurate and detailed characterization of ground motion, especially in the near source region and in complex geologic conditions, and this can be effectively used to improve the seismic risk studies at urban scale.

L'obiettivo principale di questo lavoro di tesi è quello di svolgere studi di valutazione del rischio sismico per l'area urbana di Pechino, in Cina, utilizzando una rappresentazione avanzata della pericolosità sismica basata su simulazioni in grado di determinare lo scuotimento del terreno dall'origine al sito impiegando la fisica 3D. La valutazione del rischio sismico è stata effettuata considerando una specifica classe di edifici, ovvero i grattacieli, che costituiscono una componente importante del costruito in Cina. In generale, la valutazione del rischio sismico utilizza informazioni di pericolosità sismica combinati con i modelli di vulnerabilità di strutture e/o servizi, al fine di stimare le probabilità dei danni e valutare le perdite attese. Per quanto riguarda la valutazione dei rischi, sono stati utilizzati strumenti innovativi basati su simulazioni per la caratterizzazione dello spostamento delle terre previsto durante i terremoti. Questo approccio, che si discosta da quello standard basato su equazioni di previsione dello spostamento delle terre (GMPEs), fa uso di simulazioni numeriche dei terremoti basate sulla fisica 3D (3DPBNS), comprendenti un modello dettagliato della sorgente sismica, del percorso di propagazione e della geologia locale (ad esempio conca alluvionale). Tali strumenti sono particolarmente idonei per la previsione dello spostamento della terra durante il terremoto nei casi in cui le registrazioni di terremoti siano scarse, come nelle regioni prossime alle fonti di forti terremoti. Gli scenari di terremoto in 3D sono stati generati con un codice di elementi spettrali altamente performante denominato SPEED (http://speed.mox.polimi.it/). Per quanto riguarda la valutazione delle vulnerabilità, sono state impiegate curve di fragilità esistenti per grattacieli in Cina. Combinando gli scenari del movimento della terra prodotti da 3DPBNS con le curve di fragilità selezionate, sono state calcolate la probabilità del superamento di ogni stato di danno e i rapporti dei danni medi. Poichè è stata considerata una serie piuttosto ampia di scenari di terremoto con magnitudo variabile da 6.5 a 7.3, è stato possibile valutare anche la variabilità degli scenari di danneggiamento sismico. Il confronto dei risultati ottenuti da GMPEs e 3DPBNS è stato effettuato al fine di verificare le differenze dei due approcci. Infine è stata valutata la sensibilità dei risultati al variare delle curve di fragilità, il che ha permesso di verificare la variabilità della valutazione del rischio sismico rispetto al modello di vulnerabilità. I risultati dello studio dimostrano che, rispetto ai metodi empirici standard, la simulazione numerica basata sulla fisica 3D è in grado di fornire una più accurata e dettagliata caratterizzazione del moto del suolo, soprattutto nelle regioni prossime alla fonte ed in complesse condizioni geologiche: ovvero in definitiva costituisce una soluzione efficace per migliorare gli studi di rischio sismico a scala urbana.