Towards physics- and mechanics-based seismic damage scenarios at regional scale: the case study of the Irpinia region, Southern Italy

This thesis aims to develop and test an innovative methodology for generating seismic damage scenarios at regional and urban scale for the Italian residential building stock, based on the ISTAT 2011 census database. The ground-motion input is obtained from physics-based numerical simulation (PBS) of seismic wave propagation performed with the SPEED code, providing broadband acceleration time histories enriched in the high-frequency range. In contrast to standard approaches for damage assessment based on the use of fragility curves providing the probability of a given damage level as a function of a prescribed intensity measure (e.g. Peak Ground Acceleration), the adopted methodology follows a mechanics-based approach and evaluates the nonlinear dynamic response of the buildings using as input excitation the simulated time histories. The simulated acceleration time histories are coupled with elastoplastic single-degree-of-freedom (SDOF) oscillators, whose mechanical properties are derived from typology-dependent capacity curves associated with the main residential building classes. Damage states of the simulated drift of the building stock are evaluated according to the corresponding capacity curves displacement thresholds. The methodology is applied to the 1980 Irpinia earthquake Mw 6.8 and to hypothetical earthquake scenarios with different magnitude which may potentially hit the region. Finally, the proposed approach is employed to analyze hypothetical seismic sequences in the Irpinia region, with the aim of investigating the effects of damage accumulation on the residential building stock considered.

La presente tesi si propone di sviluppare e validare una metodologia innovativa per la generazione di scenari di danno sismico a scala regionale e urbana per il patrimonio edilizio residenziale italiano, basata sul database del censimento ISTAT 2011. L’input sismico è ottenuto da simulazioni numeriche fisico-basate (PBS) della propagazione delle onde sismiche eseguite mediante il codice SPEED, che forniscono storie temporali di accelerazione a banda larga arricchite nel campo delle alte frequenze. A differenza degli approcci standard per la valutazione del danno, basati sull’utilizzo di curve di fragilità che forniscono la probabilità di raggiungimento di un determinato livello di danno in funzione di una prefissata misura di intensità, ad esempio attraverso la massima accelerazione del suolo (PGA), la metodologia adottata segue un approccio meccanico e valuta la risposta dinamica non lineare degli edifici utilizzando come eccitazione in ingresso le storie temporali simulate. Le storie temporali di accelerazione simulate sono accoppiate a oscillatori elastoplastici a un grado di libertà (SDOF), le cui proprietà meccaniche sono derivate da curve di capacità dipendenti dalla tipologia edilizia e associate alle principali classi di edifici residenziali. Gli stati di danno, valutati in termini di drift simulato del patrimonio edilizio, sono determinati in funzione delle soglie di spostamento definite dalle corrispondenti curve di capacità. La metodologia è applicata al terremoto dell’Irpinia del 1980, con Mw 6.8, e a scenari sismici ipotetici di diversa magnitudo che potrebbero potenzialmente interessare la regione. Infine, l’approccio proposto è impiegato per analizzare sequenze sismiche ipotetiche nell’area dell’Irpina, con l’obiettivo di investigare gli effetti cumulativi del danno sul patrimonio edilizio residenziale considerato.