Performance based approach for the seismic assessment and retrofit of masonry buildings

Seismic assessment and retrofit of unreinforced masonry (URM) structures is a relevant topic nowadays, especially in regions where the majority of the buildings were constructed before the introduction of actual seismic design codes. Recent earthquakes have demonstrated that the structural weakness of URM is responsible of fatalities, injuries and large economic losses in terms of reconstruction costs and interruption of the activities. In order to reduce these consequences, the technical-scientific community is devoting increasing effort in the understanding of the URM behavior both for evaluation and retrofitting purposes. However, at this time, engineers and practitioners are not yet supported by exhaustive guideline specifications and handy numerical tools. Uncertainties in the analysis procedures are not rigorously quantified resulting in conservative structural assessments and expensive retrofits. Starting from these statements, the present thesis addresses the topic in an innovative way, investigating the possibility to apply the concepts of performance based earthquake engineering (PBEE) to existing masonry structures. In detail, firstly the state-of-art methodologies for the seismic assessment and retrofit of URMs are presented, underlining advantages and limitations of current approaches. Secondly, the URM behavior is discussed with reference to the cross section response: particular attention is devoted to axial bending interaction, investigated through innovative M-N and M-c closed form expressions. Subsequently, in order to critically review the seismic assessment methods currently proposed by the codes, two case study buildings located in L’Aquila (Italy) are investigated. Finally, in the last part, the extension of PBEE concepts to the case of URM buildings is presented. The performance of the URM building is calculated considering the uncertainties in a probabilistic manner through a schematic step-by-step procedure (i.e. hazard analysis, structural analysis, damage analysis and loss analysis). Particularly, URM building loss curves are used to estimate expected monetary losses and as a tool for cost benefit analysis of retrofitting interventions.

La valutazione e l'adeguamento sismico delle strutture in muratura non armata è un argomento di primaria importanza al giorno d’oggi, soprattutto nelle nazioni in cui la maggior parte degli edifici sono stati realizzati prima dell'introduzione di norme di progettazione antisismica. I recenti terremoti hanno dimostrato che la debolezza strutturale degli edifici in muratura è spesso responsabile di perdite di vite umane, infortuni ed elevati danni economici in termini di costi di ricostruzione e interruzione delle attività produttive. Al fine di ridurre queste drammatiche conseguenze, la comunità tecnico-scientifica sta dedicando sforzi crescenti per una maggiore comprensione del comportamento strutturale della muratura, fondamentale per effettuare analisi di vulnerabilità affidabili ed interventi di rinforzo sismico efficaci. Tuttavia, ad oggi, gli ingegneri non sono ancora supportati né da norme tecniche esaustive né da strumenti di calcolo adeguati. Generalmente, le incertezze nelle procedure di analisi non vengono quantificate rigorosamente e le conseguenti valutazioni strutturali si traducono in consolidamenti conservativi e pertanto troppo costosi. Partendo da questi presupposti, la presente tesi affronta la tematica con un approccio innovativo, indagando la possibilità di applicare i nuovi concetti di performance based earthquake engineering (PBEE) alle strutture esistenti in muratura. In primo luogo vengono presentate le metodologie attualmente utilizzate per l’analisi sismica di tali edifici, evidenziando i vantaggi e i limiti di questi approcci. In secondo luogo, il comportamento della muratura viene discusso con riferimento alla risposta sezionale, concentrandosi sull'interazione tra flessione e azione assiale, studiata attraverso innovative espressioni in forma chiusa per domini di interazione M-N e curve di duttilità flessionale M-c. Successivamente, al fine di valutare le attuali tecniche di analisi sismica, vengono riportati i risultati delle analisi di vulnerabilità di due edifici situati a L'Aquila (Italia). Infine, nell'ultimo capitolo della tesi, viene presentata un’estensione dei concetti del PBEE al caso specifico degli edifici in muratura. In particolare, le prestazioni sismiche dell'edificio vengono valutate tenendo in conto le incertezze del calcolo in modo probabilistico, attraverso una procedura codificata (analisi di pericolosità, analisi strutturale, analisi dei danni e analisi delle perdite economiche). In particolare, tale studio porta alla derivazione di specifiche curve di perdite economiche, utilizzate sia per stimare le perdite monetarie attese in caso di sisma, sia come strumento per l'analisi costi-benefici degli interventi di rinforzo sismico.