Università degli Studi “Federico II” di Napoli D ottorato di R icerca in R ischio S ismico

1. Università degli Studi “Federico II” di Napoli Dottorato di Ricerca in Rischio Sismico XXII ciclo Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures with Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Tutore: Prof. Gaetano Manfredi Referenti: Prof. Giovanni Fabbrocino Dott. Gerardo M. Verderame

2. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro • Introduction • Seismic Risk in Central American Countries • Vulnerability Assessment • High-Priority Buildings in Central America Selection • Analytical Mechanical Vulnerability Assessment • Conclusions

3. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro RESIS-II = Reducción de Riesgo Sísmico en Guatemala, El Salvador y Nicaragua con Cooperación Regional de Honduras, Costa Rica y Panamá  più di 15 anni di cooperazione in sismologia  interesse per cooperazione continuativa  necessità di nuovi e interessanti argomenti  2003 visita in Guatemala, El Salvador e Nicaragua per preparare le proposte progettuali  finanziamento del progetto dal Ministero degli Affari Esteri, Norvegia

4. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro RESIS-II = Reducción de Riesgo Sísmico en Guatemala, El Salvador y Nicaragua con Cooperación Regional de Honduras, Costa Rica y Panamá Riduzione del rischio sismico per i bersagli di maggiore importanza per la società: edifici pubblici e di importanza strategica Risultato atteso è la stesura di linee guida per la mitigazione, da far adottare ai gestori e alle autorità Studio della capacità strutturale in Centro America seguendo la strategia dell’imparare facendo (corsi di formazione, workshops e meetings) Informazione e attività di sensibilizzazione mirate alla popolazione “strategica” (Proprietari, Autorità Nazionali e Comunali, responsabili della Pianificazione Urbana, progettisti strutturali, e proprietari di edifici importanti e di industrie)

5. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Background del progetto: Obiettivi

6. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Background del progetto: Argomenti Task 1: Detailed mapping of typical structures in the main cities Task 2: Municipalities at risk Task 3: Hospitals and health centers Task 4: Schools Task 5: Major roads and bridges (Guatemala) Task 6: Microzonation and slope stability (San Salvador) Task 7: Seismic hazard updates Task 8: Regional workshops and meetings Task 9: Promotion of education activities and university

7. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Perché ospedali e scuole?  entrambi sono strutture ad alta priorità  entrambe le tipologie strutturali sono estremamente importanti subito dopo un disastro (rifugio, punto di raccolta, centro organizzativo)  entrambe le tipologie strutturali hanno un tasso di occupazione estremamente alto (o persone/mq) e.g. Tasso di occupazione giornaliera (FEMA 174, 1989): "(..) among EUROPA-MHA*) member states, earthquakes have only caused severe damage to a small portion of existing buildings – most were schools, some were hospitals." Multinovic (2004) *) Nota: MHA - Multi-hazard Agreement

8. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Inquadramento attività di rilievo • Livello I: empirico a) Sviluppo e applicazione di questionari b) Valutazione indice di vulnerabilità strutturale (SVI) e non strutturale c) Lista di priorità di edifici da studiare •  Livello II: modellazione e analisi

9. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Inquadramento attività di rilievo • Livello I: empirico a) Sviluppo e applicazione di questionari b) Valutazione indice di vulnerabilità strutturale (SVI) e non strutturale c) Lista di priorità di edifici da studiare •  Livello II: modellazione e analisi Metodo ispirato da FEMA 154 e PAHO

10. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Hazard Sismico In 50 years, there is a 10% chance of exceeding the indicated ground acceleration (in [g]-units) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 g

11. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Esposizione Urban Explosion Population is growing in hazardous regions

12. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Tipo di costruito Taquezal Minifalda Unreinforced claybrick masonry Adobe brick-masonry Confined claybrick masonry Bahareque

13. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Tipo di costruito Internal reinforced concrete block masonry Unreinforced concrete block masonry Confined concrete block masonry Block panel Piedra de cantera Laminada troquelada

14. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Inquadramento attività di rilievo Da una iniziale applicazione della metodologia in Centro America si ha:

15. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Ospedali e cliniche sanitarie Caratteristiche peculiari: • una alta percentuale di occupanti sono disabili • Attrezzature pericolose e altre installazioni (ossigeno e altri gas, agenti chimici, ecc.) possono causare danni (es. incendi) • Molte sono installazioni sensibili all’accelerazione (ascensori, tubazioni, controsoffittature sospese) che possono rompersi facilmente e provocare danni • Danni alle attrezzature mediche causano grosse perdite economiche • Costi indiretti sono spesso considerati, ma possono essere maggiori dei costi diretti di sostituzione •  I costi indiretti includono: • • perdite dovute all’interruzione dei servizi ospedalieri (laboratori, ecc.)  gli ospedali privati possono andare in bancarotta • • incremento dei costi per le emergenze

16. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Scuole Caratteristiche peculiari: - psicologiche/etiche/sentimentali ragioni: "NON C’E’ PIU’ GRANDE TESORO PER UNA SOCIETA’ CHE I SUOI BAMBINI" - i bambini non si comportano come gli adulti  perdite maggiori - le scuole sono spesso di una certa epoca  alcune deficienze  negli edifici scolastici possono esserci differenze tra il progetto principale, lo stato attuale e quello di mantenimento - spesso le scuole sono vecchie/vulnerabili/a più piani - cambi socio-economici drammatici nelle nazioni in via di sviluppo:  economia basata sull’agricoltura a quella industriale  rapida urbanizzazione  incremento di costruzioni improprie  incremento di vulnerabilità ed esposizione

17. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Questionari Sviluppo di questionari basati su: Federal Emergency Management Agency (2003). FEMA 396 – Incremental Seismic Rehabilitation of Hospital Buildings. Washington, December 2003. Federal Emergency Management Agency (2004). FEMA 389 – Primer for Design Professionals, Chapter 9. Design and Performance Issues relating to Healthcare Facilities. Washington, January 2004. Federal Emergency Management Agency (2005). FEMA 452 – Risk Assessment, A How-to Guide to mitigate potential Terrorist Attacks against Buildings. Washington, January 2005. Pan American Health Organization PAHO (2000). Disaster Mitigation for Health Facilities: Guidelines for Vulnerability Appraisal and Reduction in the Caribbean. World Health Organization WHO (2002). A Structural Vulnerability Assessment of Hospitals in Kathmandu Valley. Kathmandu, Nepal, August 2002. World Health Organization WHO (2007). Seismic Vulnerability Assessment of a Key Health Facility in The former Yugoslav Republic of Macedonia - A handbook. WHO, Copenhagen.

18. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Valutazione della Vulnerabilità Metodo semplificato  Seguendo procedure già esistenti presentate da PAHO, FEMA  Questionari su vulnerabilitàstrutturale e non-strutturale trascurando la vulnerabilità funzionale  Da applicare solo a ospedali e edifici scolastici  questionari leggermenti diversi  Ancora nella fase di taratura, prime applicazioni: Northern India, Guatemala, Nicaragua, El Salvador

19. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Questionari Part 1. General information Part 3. Non-structural parameters Part 2. Structural parameters

20. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Part 1. General information  Stima delle principali caratteristiche (influenzata soggettivamente dal compilatore)  Le informazoni su età e stato attuale sono usate per incrementare/decrementare gli indici di vulnerabilità for hospitals for schools equal for hospitals and schools

21. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Part 2. Structural vulnerability assessment Caratteristiche che influenzano la vulnerabilità strutturale: Importance levels: low medium high               Definizione di tre livelli di importanza connessi al Fattore di Livello di ImportanzaFIL: lowFIL = 1 medium FIL = 4 high FIL =9

22. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Part 2. Structural vulnerability assessment Structural vulnerability index SVI:  SVI = [(Imp. Level Factor) / No. of answers] ·Age Factor·Actual State Factor 0.9 ... 1.1 0.9 ... 1.1 per i casi maggiormente sfavorevoli:

23. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Valutazione della Vulnerabilità • Identificazione di una possibile soluzione strutturale connessa al generico edificio; • Generazione dei corrispondenti modelli a plasticità concentrata per analisi non lineari; • Esecuzione di analisi di pushover per la determinazione dei parametri di capacità non lineari. • Per valutare diversi livelli prestazionali, tre stati limite sono stati considerati: • Danno limitato (DL) → attingimento della qy; • Danno severo (SD) → attingimento di q = 3/4qu; • Collasso incipiente (NC) → attingimento della qu. Crisi struttura = crisi di elemento!!!

24. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro (3) Definizione dei carichi  carichi permanenti ed accidentali  definizione della combinazione di carichi permanenti e sismici ( indicazioni normative) (G + Ψ2i  Q) (4) Calcolo masse sismiche Gk + ∑i (Ψ2i  QKi) with: Ψ2i = 0.6 : for schools and hospitals Analisi di pushover • Generazione del modello strutturale (2) Definizione delle proprietà delle cerniere non lineari (legame momento-rotazione) per gli elementi strutturali (travi, colonne) δi Θi Θi δi (5) Analisi di Pushover

25. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Analisi di pushover V δ structural model capacity (pushover) curve ADRS spectrum equivalent SDOF

26. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Analisi di pushover: caratterizzazione delle cerniere plastiche Θy- yield rotation Θmax- maximum rotation (=1.5 Θy ) Θu- ultimate rotation Mcr- 'cracking' moment My- yield moment Mmax- maximum moment Mu- ultimate moment (≈ 0.8 Mmax)

27. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Analisi di pushover: caratterizzazione delle cerniere plastiche Calcolo della rotazione di yielding Θysecondo Euro Code EN1998:  Per colonne e travi considerando taglio e scorrimento delle barre with: y- yield curvature Lv- shear length H - total section heigth db- mean diameter of the longitudinal bars in the affected section (ø18 = 18 mm) fy- yield strength of the longitudinal reinforcement steel [MPa] fc- concrete compression strength [MPa]  La rotazione di yielding Θy è principalmente dipendente dall’armatura!!

28. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Analisi di pushover: caratterizzazione delle cerniere plastiche Calcolo della rotazione ultima Θu: Calcolo della rotazione plastica Θumpl:  Basata su analisi di regressione γel- experimentally gained factor for primary structural elements(=1.0 in this study) ν- normalized axial load [ν = N/(fc ∙Ac)] Ac- concrete section ω - bar mechanical percentages in tension ω' - bar mechanical percentages in compression fy , fyw- longitudinal and transversal yield strength of steel [MPa] fc- concrete compression strength [MPa] α- confinement efficiency factor (eq. 8) ρsx - transversal steel percentage (eq. 9) ρd- percentage of diagonal reinforcement (eq. 10)  La rotazione plastica Θumpl è influenzata dal calcestruzzo!!

29. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro As’ h As bw Analisi di pushover: resistenza a taglio with: γel- experimentally gained factor for primary structural elements h- depth of cross-section x - compression zone depth N - compressive axial force LV - ratio moment/shear at the end section Ac- cross section area fc- concrete compression strength [MPa] ρtot- total longitudinal reinforcement ratio VW- contribution of transverse reinforcement to shear resistance Total longitudinal reinforcement: with: ρw- tranverse reinforcement ratio z- length of the internal lever arm fyw- yield stress of the transverse reinforcement [MPa]

30. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Analisi di pushover: caratterizzazione delle cerniere plastiche • Variabilità nelle caratteristiche meccaniche dei materiali (valutazione parametrica): • La resistenza del calcestruzzo è considerata distribuita normalmente con un valore medio dipendente dalle caratteristiche in situ e dalle pratiche progettuali adottate e un CoV uguale al 25 % • La resistenza dell’acciaio è considerata distribuita normalmente con un valore medio dipendente dalle caratteristiche in situ e dalle pratiche progettuali adottate e un CoV uguale al 8 % fc Experimental test on new C.A. steel bar in Univ. of Naples’s Official Laboratory: fy

31. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Analisi di pushover: variability in thresholds • Variabilità dei parametri caratterizzanti le cerniere non lineari (valutazione parametrica): • Rotazione di yielding y : distribuzione lognormale, valore medio uguale alla y corrispondente a materiali “medi” e CoV = 42 % • Rotazione plastica pl : distribuzione lognormale con valore medio uguale alla pl corrispondente ai materiali medi e CoV = 42 %

32. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Analisi di pushover: parametri non lineari Dalla curva di capacità bilineare i Parametri non lineari per il sistema SDOF possono essere derivati: • Periodo effettivo: • 2) Resistenza non lineare: • 3) Spostamento non lineare: in cui: mi è la massa all’i-esimo impalcato, e fi è lo spostamento adimensionalizzato al livello i rispetto allo spostamento del tetto, Gè il fattore di partecipazione e k* è la rigidezza non lineare

33. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Domanda: spettro IBC 2006 Classificazione suolo (NEHRP)

34. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Curve di capacità – curve di fragilità Cd : spostamento capace del SDOF Cs : coefficiente di taglio alla base funzione di Vmax del SDOF e della massa generalizzata T: periodo effettivo del SDOF Estrazione casuale di un vettore di parametri (y, pl ,Cd, Cs e T) • Spettro di domanda elastica corrispondente al periodo T dell’estrazione casuale • Riduzione dello spettro elastico in inelastico mediante i fattori CRe R • Confronto Capacità – Domanda per ognuno degli stati limite considerati

35. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Ospedali e scuole rilevati Ospedali (Managua): Roberto Calderon Gutierrez Velez Paiz Scuole (Managua): Instituto Nacional Azarias H. Pallais Instituto Nacional Rigoberto Lopez Perez Ospedali (Guatemala City): Roosevelt - Maternidad Scuole (Guatemala City): Republica de Austria Republica de Colombia Ospedali: Nacional Dr. Luis E. Vasquez (Chalatenango) Scuole: Complejo Educativo Catolico 'S. Domingo' (Chiltiupan) Alberto Mazzini (San Salvador)

36. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Ospedali e scuole rilevati: El Salvador Ospedali: Nacional Dr. Luis E. Vasquez (Chalatenango) Scuole: Complejo Educativo Catolico 'S. Domingo' (Chiltiupan) Alberto Mazzini (San Salvador)

37. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Ospedali e scuole rilevati: Nicaragua Ospedali (Managua): Roberto Calderon Gutierrez Velez Paiz Scuole (Managua): Instituto Nacional Azarias H. Pallais Instituto Nacional Rigoberto Lopez Perez

38. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Ospedali e scuole rilevati: Guatemala Ospedali (Guatemala City): Roosevelt - Maternidad Scuole (Guatemala City): Republica de Austria Republica de Colombia

39. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Ospedali e scuole rilevati: Guatemala Ospedali (Guatemala City): Roosevelt - Maternidad Scuole (Guatemala City): Republica de Austria Republica de Colombia

40. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Escuela Republica de Colombia: Guatemala City Guatemala City Zona 11 Zona 11: occupazione residenziale e commerciale

41. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Escuela Republica de Colombia: Guatemala City •  anno di costruzione: 1965 (sopravvissuta al terremoto del 1976, M 7.5) •  suolo: classe C secondo la classificazione NEHRP (vs,30 = 360–760 m/sec) •  proprietà dei materiali assegnate dai test effettuati in situ, opportunamente corretti in funzione delle pratiche progettuali del posto: • a) calcestruzzo fc=21.00 N/mm2 • b) acciaio di armatura fy~310.00 N/mm2 • Assenza di normativa sismica 56.90 m 20.60 m sezione pianta

42. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Modellazione strutturale Modello a plasticità concentrata per analisi di pushover Diagramma momento – rotazione adottato gel adottato pari a 1 Relazioni da EC8

43. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Modellazione strutturale (1) Effetto P–Δ  Entità del carico assiale;  Snellezza dell’intera struttura;  Snellezza dei singoli elementi. Dettaglio colonna (l’armatura è rilevata con test pacometrici)

44. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Modellazione strutturale (1) Effetto P–Δ  Entità del carico assiale;  Snellezza dell’intera struttura;  Snellezza dei singoli elementi. Dettaglio colonna (l’armatura è rilevata con test pacometrici)

45. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Modellazione strutturale (2) Deformabilità del tetto  Diaframma rigido;  Shell deformabili su travi di legno. Lamiera ondulata in metallo su travi di legno

46. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Modellazione strutturale (3) Variabilità nelle caratteristiche meccaniche • Distribuzione lognormale per y (CoV = 0 .42); • Distribuzione lognormale per pl (CoV = 0 .42). Panagiotakos e Fardis, 2001 Variabilità nel modello meccanico (ye pl) non considerata in alcun metodo per tener in conto errori di regressione nella determinazione di 

47. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Risultati di analisi: capacità strutturali Effetto della rotazione plastica e di yielding sulla capacità strutturale pl growing y growing

48. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Risultati di analisi: capacità strutturali Effetto della rotazione plastica e di yielding sulla capacità strutturale Lo spostamento capace aumenta al crescere di pl La rigidezza strutturale decresce, pertanto il periodo effettivo aumenta al crescere di y y growing pl growing

49. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Risultati di analisi: parametri non lineari

50. Seismic Vulnerability of Existing R.C. Structures With Special Focus on High-Priority Buildings in Central America Maria Isabella Verbicaro Risultati di analisi: Fragilità Strutturali direzione trasversale direzione longitudinale Stati limite (crisi elemento → crisi struttura) • Danno limitato (DL): un primo elemento attinge lo snervamento • Danno severo (SD): un primo elemento attinge una rotazione pari a ¾ di quella ultima • Collasso imminente (NC): un primo elemento attinge una rotazione pari a quella ultima