Vulnerability assessment of masonry structures including uncertainty

Abstract

Unreinforced masonry buildings represent a significant amount of the built heritage in the earthquakeprone regions. They were designed most of the times considering only gravity loads and they often present low ductility and lack of connections between structural elements. Therefore, they are highly susceptible to damage from earthquakes, even of low intensity. This fact has been dramatically stressed by the recent seismic events (Central Italy 2016, Nepal 2015, Northern Italy, 2012) with catastrophic losses in terms both of number of collapsed buildings and of human lives. Therefore, it emerges the urgent need for assessing the seismic performance of these structures. The evaluation of the seismic vulnerability of existing masonry buildings result a demanding task since their knowledge is limited regarding material characterization, actual geometry and role of the different components within the structure. In the last decade, the engineering community demonstrates an increasing attention to the topic and most of the current research is involved in developing an assessment methodology, able to include the aforementioned uncertainties in the structural assessment of masonry buildings. However, very few case studies are available on the seismic vulnerability assessment of complex structural typologies in historical constructions. This work aims to investigate the vulnerability assessment of large monumental structures with a complex geometry, including the uncertainty related to the material mechanical parameters. The church of Santa Maria del Mar of Barcelona has been considered as a case study. The vulnerability of a macro-element, representative for a typical transversal bay of the church, has been studied under transversal seismic loads. The capacity of the structure has been evaluated through a non-linear static analysis performed with a two-dimensional (2D) Finite Element (FE) Model of the selected macroelement. A Monte Carlo simulation has been utilized to estimate the effect of the uncertainties regarding the material mechanical properties. The vulnerability of the structure is presented in terms of fragility curves, which express the probability of the damage on the structure for different seismic scenarios.

Los edificios de obra de fábrica no reforzada representan una cantidad significativa del patrimonio construido en las regiones propensas a terremotos. Fueron diseñados la mayoría de las veces considerando solo cargas gravitacionales y a menudo presentan baja ductilidad y falta de conexiones entre elementos estructurales. Por lo tanto, son muy susceptibles a daños causados por terremotos, incluso de baja intensidad. Este hecho ha sido dramáticamente demonstrado por los recientes eventos sísmicos (Italia Central 2016, Nepal 2015, Norte de Italia, 2012) con pérdidas catastróficas tanto en edificios como en vidas humanas. Por lo tanto, surge la necesidad urgente de evaluar el comportamiento sísmico de estas estructuras. La evaluación de la vulnerabilidad sísmica de edificios existentes en obra de fábrica resulta una tarea exigente ya que su conocimiento es limitado en cuanto a la caracterización material, la geometría real y el papel de los diferentes componentes dentro de la estructura. En la última década, la comunidad de ingenieros ha demostrado una creciente atención al tema y la mayor parte de la investigación actual está involucrada en el desarrollo de una metodología de evaluación capaz de incluir las incertidumbres antes mencionadas en la evaluación estructural de los edificios de mampostería. Sin embargo, muy pocos casos de estudio están disponibles sobre la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de tipologías estructurales complejas en construcciones históricas. Este trabajo tiene como objetivo investigar la evaluación de la vulnerabilidad de grandes estructuras monumentales de geometría compleja, incluyendo la incertidumbre relacionada con los parámetros mecánicos del material. La iglesia de Santa María del Mar de Barcelona ha sido considerada como caso de estudio. La vulnerabilidad de un macro-elemento, representativo de una típica crujía transversal de la iglesia, ha sido estudiada bajo cargas sísmicas en dirección transveral. La capacidad de la estructura se ha evaluado a través de un análisis estático no lineal realizado con un modelo bidimensional (2D) de Elementos Finitos (FE) del macroelemento seleccionado. Se ha utilizado una simulación de Monte Carlo para estimar el efecto de las incertidumbres con respecto a las propiedades mecánicas del material. La vulnerabilidad de la estructura se presenta en términos de curvas de fragilidad, que expresan la probabilidad del daño en la estructura para diferentes escenarios sísmicos.

Gli edifice in muratura non rinforzata rappresentamo la maggior parte del patrimonio edilizio nelle aree soggette ad eventi sismici. Tali edifici sono spesso progettati per resistere ai soli carichi gravitazionali e spesso presentano una ridotta duttilità e mancanza di collegamenti tra diversi elementi strutturali. Sono dunque altamente soggetti a danneggiamento a causa di eventi sismici, anche di bassa intensità. Ciò è stato drammaticamente dimostrato dai recenti eventi sismici (Centro Italia 2016, Nepal 2015, Nord Italia 2012) con catastrofiche perdite in termini sia di edifici e di vite umane. Emerge dunque un urgente bisogno di valutare la sicurezza sismica di queste strutture. La valutazione della vulnerabilità sismica di edifici esistenti in murature risulta complessa poiché la conoscenza di questi edifici risulta limitata riguardo caratterizzazione di materiali, geometria reale e ruolo dei differenti componenti strutturali. Nell’ultima decade la comunità ingegneristica sta dimostrando una crescente attenzione al tema e gran parte della ricerca attuale è coinvolta nello sviluppo di una metodologia di valutazione capace di includere le sopracitate incertezze nella valutazione strutturale degli edifici in muratura. Nonostante ciò, esistono pochi casi studio riguardanti la valutazione della sicurezza sismica di tipologie strutturali complesse nell’ambito delle costruzioni storiche. Questo lavoro ha lo scopo di esaminare il problema della valutazione della vulnerabilità strutturale di grandi strutture monumentali con una geometria complessa, includendo le incertezze relative alle proprietà meccaniche dei materiali. La chiesa di Santa Maria del Mar a Barcellona è considerata come caso studio. La vulnerabilità di un macro-elemento rappresentativo di una campata trasversale della chiesa è stata studiata considerando un sismico in direzione trasversale. La capacità della struttura è stata valutata mediante analisi statica non lineare di un modello agli elementi finiti bidimensionale del macro-elemento selezionato. Una simulazione stocastica tramite metodo di Monte Carlo è stata utilizzata per stimare l’effetto delle incertezze riguardanti le proprietà meccaniche dei materiali. La vulnerabilità della struttura è presentata mediante curve di fragilità, le quali rappresentano la probabilità di danno strutturale per diversi scenari sismici.