Physically-based seismic damage scenarios: application to the 2009 L'Aquila and 1980 Irpinia earthquakes

This thesis analyses the generation of seismic damage scenarios for residential buildings using a physically-based approach, defined on the basis of ground shaking and of a vulnerability model. Ground shaking is provided using 3D physically-based numerical simulations (PBS) obtained from the spectral element code SPEED, developed at Politecnico di Milano. The vulnerability of the building stock is assessed through a “mechanical” model of the building, that is, through one-degree-of-freedom (1dof) elastoplastic oscillators. These models have been defined according to different capacity curves: “SP-BELA”, “L’Aquila RC”, and “GEM”. SP-BELA and GEM curves are defined for both masonry and reinforced concrete structures, whereas L’Aquila RC curves are referred only to reinforced concrete buildings. The structural damage is computed from the dynamic response of the 1dof oscillator to the ground-shaking induced by a simulated acceleration time history. The proposed damage assessment methodology is applied to two case studies: the 2009 L’Aquila earthquake and the 1980 Irpinia earthquake. For the L’Aquila case, three damage scenarios are generated, one for each oscillator model, and compared with the damage observed after the earthquake, collected in the “buildings damage and usability database” developed by the Civil Protection. For the Irpinia case, several damage scenarios are produced, using the ISTAT 2011 building census, with the aim of exploring the consequences of a repetition of the 1980 earthquake. The validation for the L’Aquila case showed that damage scenarios based on GEM and SP-BELA curves tend to underestimate the observed damage. In contrast, L’Aquila RC curves yield a damage distribution more consistent with reality.

La presente tesi analizza la creazione di scenari di danno sismico agli edifici residenziali mediante un approccio fisicamente basato, definito a partire dallo scuotimento sismico e da un modello di vulnerabilità. Lo scuotimento sismico è ottenuto attraverso simulazioni numeriche tridimensionali fisicamente basate ottenute dal codice SPEED, basato su elementi spettrali e sviluppato dal Politecnico di Milano. La vulnerabilità del patrimonio edilizio è valutata tramite un modello “meccanico” per gli edifici, utilizzando oscillatori elastoplastici a un grado di libertà. Questi modelli sono definiti a partire da diverse curve di capacità: “SP-BELA”, “L’Aquila RC” e “GEM”. Le curve SP-BELA e GEM sono definite sia per edifici in muratura che per edifici in cemento armato, mentre le curve L’Aquila RC sono riferite solo a edifici in cemento armato. Il danno strutturale è calcolato sulla base della risposta dinamica dell’oscillatore sottoposto allo scuotimento sismico indotto da serie temporali di accelerazioni simulate. La metodologia proposta è applicata a due casi di studio: il terremoto di L’Aquila del 2009 e quello dell’Irpinia del 1980. Per il caso di L’Aquila, sono generati tre scenari di danno, uno per ogni modello di oscillatore, e vengono confrontati con il danno osservato dopo il terremoto e raccolto all’interno del “database di danno e agibilità degli edifici” sviluppato dalla Protezione Civile. Per l’Irpinia, sono stati prodotti diversi scenari di danno utilizzando il censimento degli edifici ISTAT 2011, con l’obiettivo di esplorare le conseguenze della ripetizione del terremoto del 1980. In generale, la validazione eseguita nel caso di L’Aquila mostra che gli scenari di danno basati sulle curve GEM e SP-BELA tendono a sottostimare il danno osservato, mentre le curve L’Aquila RC forniscono una distribuzione di danno più coerente con i dati reali.