Metodologie macrosismiche per la stima di vulnerabilità sismica di tipologie edilizie e la costruzione di scenari di danno

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1 AGE Conference 2008 MESSINA 100 ANNI DOPO Messina, Novembre 2008 Sessione: Vulnerabilità sismica urbana, 25 Novembre Metodologie macrosismiche per la stima di vulnerabilità sismica di tipologie edilizie e la costruzione di scenari di danno A. Bernardini, Università degli Studi di Padova

2 Sommario Metodi macrosismici e metodi meccanici per l analisi di vulnerabilità sismica del costruito La scala EMS98: classi, tipologie, misure di danno, DPMs delle classi Caso di studio: Catania Ricerche successive (GNDT) ed in corso (ReLUIS)

3 Confronto fra metodi macrosismici e meccanici Obiettivi dell analisi di vulnerabilità a scala urbana: scenari di danno per l emergenza; programmi di rinforzo; I metodi meccanici si basano su simulazioni analitiche o numeriche della risposta non lineare (danno) al sisma Il metodo macrosismico è basato sul fatto che la misura di intensità locale macrosismica è in buona parte basata sull osservazione (statistica) del danno a diverse tipologie di edifici. Quindi, il riconoscimento tipologico (da un opportuno inventario degli edifici) conduce alla stima del danno al variare dell intensità macrosismica.

4 Confronto fra analisi di vulnerabilità e analisi di progetto con i metodi meccanici Metodi meccanici per l analisi di: Livello di conoscenza della geometria e dei materiali Incertezze aleatorie su azioni e resistenze dei materiali Incertezze epistemiche Vulnerabilità Generalmente basso (dati poveri) Valori medi Molto grandi (conoscenze qualitative) Progetto (nuova costruzione o rinforzo dell esistente) Alto (prescrizioni o rilievi accurati) Valori caratteristici e di progetto Basse, o trascurate se a favore di sicurezza

5 Le scale macrosismiche Scala Macrosismica Gradi di Intensità Tipologie/Clas si Note De Rossi (1873) 10 ~ 2 Mercalli (1902) 9 ~ 2 Cancani (1904) 12 ~ 3 Correlazione alla PGA Sieberg (1913, 1931): 12 ~ 3 MCS Wood-Neumann (1931), Richter (1956) : MM 12 4 (D, C, B, A) Medvedev (1953, 1964, 1976, 1978): MSK 12 3 (A, B, C) Grunthal (1998): EMS 12 6 (A, B, C, D, E, F)

6 EMS98: relazioni sfuocate fra tipi strutturali e classi di vulnerabilità (e viceversa)

7 CLASSIFICAZIONI DEL DANNO SECONDO EMS98 per EDIFICI IN MURATURA Grade 1: negligible to slight damage (no structural damage) Grade 2: moderate damage (Slight structural damage) Grade 3: substantial to heavy damage (moderate structural damage) Grade 4: very heavy damage (heavy structural damage) Grade 5: destruction (very heavy structural damage)

8 Damage Grade/ Intensity V Fuzzy Damage Probability Matrixes, implicite nella scala macrosismica EMS Negligible 2 Moderate 3 Substantial to Heavy 4 Very Heavy 5 Destruction Few A or B VI Many A or B, Few C Few A or B VII Many B, Many A, Few A Few C Few B VIII Many C, Many B, Many A, Few Few D Few C Few B IX Many D, Many C, Many B, Many A, Few E Few D Few C Few B X Many E, Few F Many D, Few E Many C, Few D Most A, Many B XI Many F Many E, Few F Most C Many D, Few E Few C Most B, Many C Few D XII All A, All B, Nearly All C, Most D, Most E, Most F

9 µ 1 Frequenze relative Fuzzy nella EMS98.5 0

10 Contenuto probabilistico di un fuzzy set (in quanto consonant random set): - Upper, - Lower, - White, distributions 1 0,8 0,6 FEW 0.0 7, p WHITE 0,520 0,5 0,4 F WHITE F UP 0,2 F LOW FEW Percentual frequency

11 Estensione delle DPM Linguistiche implicite nella EMS98 : CLASSE A Tab. 2a Classe A Damage Grade/ Intensity 0 1 Negligible 2 Moder ate 3 Substantial to Heavy 4 Very Heavy V All - Few Few None None None None VI Most Many Few None None None 8/3*Few VII Few 2*Few Many Many Few None VIII Few Few Few Many Many Few IX None Few Few 2*Few Many Many X None None Few Few Few Most XI None None None None None All XII None None None None None All 5 Destruction

12 Bounds, White probabilities e distribuzioni binomiali di danno CLASSE A EMS VI Class A - EMS VI ldings Percentage of buil White Upper 0 Lower 0 Lower 1 Upper 1 Irpinia 82 G&L 01 White bin Grade of Damage

13 Percentage of buildings White Upper 0 Lower 0 Lower 1 Upper 1 Irpinia 82 G&L 01 White bin Class A - EMS VIII Bounds, White probabilities e distribuzioni binomiali di danno CLASSE A EMS VIII X Grade of Damage Class A - EMS X Percentage of buildings White Upper 0 Lower 0 Lower 1 Upper 1 Irpinia 82 G&L 01 White bin Grade of Damage

14 Bounds e White values dei coefficienti binomiali delle distribuzioni di danno: CLASSE A Binomial Coefficients - CLASS A Mean Damage / 5 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 V VI VII VIII IX X BinWH 0,015 0,1 0,44 0,61 0,765 0,91 BinUP0 0 0,02 0,26 0,38 0,54 0,78 BinLOW0 0,04 0,2 0,6 0,8 0,92 1 BinUP1 0 0,04 0,36 0,52 0,7 0,88 BinLOW1 0,02 0,14 0,54 0,74 0,9 1 Macroseismic Intensity EMS98

15 Damage Grade/ Intensity Estensione delle DPM Linguistiche implicite nella EMS98 : Classi B, C 0 1 Negligibl e 2 Moderate 3 Substantial to Heavy 4 Very Heavy 5 Destruction V All - Few Few None None None None VI Most Many Few None None None 8/3*Few VII 3*Few Many Many Few None None VIII Few 2*Few Many Many Few None IX Few Few Few Many Many Few X None Few Few 2*Few Many Many XI None None None None 3*Few Most XII None None None None None All Classe B Classe C Damage Grade/ Intensity 0 1 Negligibl e 2 Moderate 3 Substantial to Heavy 4 Very Heavy 5 Destruction V None None None None None None VI All - Few Few None None None None VII Most Many Few None None None 8/3*Few VIII 3*Few Many Many Few None None IX Few 2*Few Many Many Few None X None Few 2*Few Many Many Few XI None None None 1/3 *Few Most- 3 * Many-1/3 Few *Few XII None None None None 1/3 * Few Nearly All

16 Confronto fra i coefficienti binomiali (danno medio /5) proposti in (Giovinazzi & Lagomarsino 2001) e derivati dai valori white expected delle DPM implicite nella EMS98 EMS 98 - Mean Damage according to G&L and "White" 1 A white B white C white D white 0,8 E white F white A G&L B G$L Mean Damage /5 0,6 0,4 C G&L E G&L D G&L F-G&L 0,2 0 V VI VII VIII IX X XI XII Macroseismic Intensity EMS 98

17 Alcune questioni sul metodo macrosismico L obiezione tautologica è fondata? E possibile una integrazione costruttiva fra metodi meccanici e metodi macrosimici (per classificare le tipologie)? E possibile attribuire una classe di vulnerabilità ai nuovi edifici che oggi si progettano?

18 Correlazioni fra PGA ed Intensità Macrosismiche EMS98 1,8 PGA/g 1,6 1,4 1,2 1 0,8 Petrini Rebez II Margottini '87-MCS loc. Margottini '87-MSK loc. Rebez I PAGER, ,6 0,4 0, Intensità macrosismica Cancani, 1904

19 Vulnerabilità degli edifici in muratura in Catania

20 Terremoti di riferimento per gli scenari Livello Terremoto MCS M s /1/9-11 X - XI /2/20 VII 6.2

21 Expected Peak Ground Accelerations (g) (Rebez II) LEVEL 2 SCENARIO: 1818 LEVEL 1 SCENARIO: 1693

22 LSU Database Edifici in muratura Edifici in C.A. Totale Records 15,326 7,319 22,639 Totale (stimato) 22,500 10,500 33,000

23 Classificazione dei tipi murari STRUTTURE Verticali Orizontali Volte Solai in legno Solai misti putrelle / voltine e volte Solai misti putrelle / voltine e volte con catene Putrelle di acciaio con voltine o tavelle Solai in legno con catene Putrelle di acciaio con voltine o tavelle con catene Solette di C.A. Tessitura irregolare di pietre laviche, malta di cattiva o buona qualità. Tessitura irregolare rinforzata trasversalmente da cannarozzoni e/o mattoni di laterizio, malta di cattiva o buona qualità A A A A A A A A A A A B B B B B Tessitura quasi-regolare di A A B B B B B C pietre laviche sbozzate su letti di malta quasi orizzontali, malta di cattiva o buona qualità. Muri misti di media qualità A A B B B B B C Tessitura quasi-regolare di pietre laviche sbozzate rinforzata da fasce di mattoni di laterizio, malta di buona qualità. Tessitura regolare di blocchi di calcestruzzo o di blocchi squadrati di tufo, malta di buona qualità. Tessitura regolare di mattoni pieni o semi-pieni, malta di buona qualità. A A B B B B B C A A B B B B B C A B B B B B C C

24 METODI IMPIEGATI PER LA VALUTAZIONE DELLA VULNERABILITA Damage Probability Matrixes da EMS98 VULNUS: Modello ibrido analitico ed esperto (fuzzy) dei meccanismi di collasso di prima e seconda specie (Bernardini, Gori & Modena 1989)

25 VULNUS: fattori di vulnerabilità I 1 : rapporto fra resistenza a taglio nel piano del sistema murario e peso totale dell edificio (accelerazione critica/g); I 2 : accelerazione critica/g riferita alla resistenza fuori del piano (rottura o ribaltamento) della più debole parete esterna; si valuta sommando la resistenza di striscie murarie verticali (vincolate ai solai) e orizzontali (vincolate ai muri trasversali); I 3 : somma pesata e normalizzata fra 0 ed 1 di punteggi di 7 fattori parziali di vulnerabilità; A : media sull edificio dell accelerazione assoluta delle masse ( PGA);

26 I 2 / A c 2 +c 3 +c 4 Safe VULNUS: Vu: probabilità di innesco del primo meccanismo di collasso (D = D3-D4) c 2 +c 3 +a c 4 c 2 c 2 c 3 c 1 Fuzzy Unsafe Upper/lower bounds: c1= 0.5 (minima nec.) c2 = 1 (media c2+c4 = 2 (suf. str) incertezze del modello: c3 = 0.1 (±) 0 1 Vu I 1 / A incertezze dell edificio rilevato: I1, I2, a (I3) fra 0 ed 1: fuzzy sets

27 Rilievo di un campione di 135 edifici in muratura

28 Valori medi di resistenza e densità dei tipi murari osservati nel campione Resistenza compressione (MPa) Resistenza trazione(mpa) Densità (kg/m 3 ) Tessitura irregolare di pietre laviche Tessitura irregolare rinforzata trasversalmente da cannarozzoni e/o mattoni di laterizio. Tessitura quasi-regolare di pietre laviche sbozzate su letti di malta quasi orizzontali Tessitura quasi-regolare di pietre laviche sbozzate rinforzata da fasce di mattoni di laterizio Tessitura regolare di blocchi di calcestruzzo o di blocchi squadrati di tufo

29 Valori medi delle forze di confinamento e peso unitario dei tipi di solaio rilevati nel campione Volte a padiglione su spalle deboli, senza catene Volte a padiglione o crociera su spalle robuste, senza catene Travi di legno senza catene Confinamento su muri ortogonali alla direzione delle travi (kn/m) Confinamento su muri paralleli alla direzione delle travi (kn/m) Peso unitario (kn/m 2 ) Putrelle di acciaio e voltine Solette di c.a. piene o alleggerite Solai misti in parte voltati, in parte piani Solai con catene Sono assunti valori medi pesati con le relative aree La procedura valuata separatamente il contributo delle catene nelle due direzioni principali (15 kn ciascuna catena)

30 Comparazione fra campione ed LSU Database 40% 30% 20% 10% 0% LSU DBase SAMPLE N OF STORIES Frequenze Relative del numero di piani 80% 60% 40% 20% 0% LSU DBase SAMPLE A B C D E AGE Frequenze Relative dell età di costruzione ( A : <1919 ; B: ; C: ; D: E: )

31 1 Class A - 82 Buildings Class A: Vulnerability 0,8 E[Vg g] 0,6 0,4 0,2 Lower Bound White Probability Upper Bound EMS98 WP > D2 EMS98 WP > D ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 PGA/g

32 Class Class B - 44 B Buildings 1 0,8 E[Vg] 0,6 0,4 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 PGA/g Lower Bound White Probability Upper Bound EMS98 WP > D2 EMS98 WP > D3

33 E[Vg g] 1 0,8 0,6 0,4 Lower Bound Class C - 9 Buildings White Probability Upper Bound EMS98 WP > D2 EMS98 WP > D3 Class C 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 PGA/g

34 1693_ed_ass_WP LEVEL 1 SCENARIO: 1693 Earthquake White Expected Number of severely damaged Masonry Buildings (D>D3) White sections not surveyed or R.C. buildings only

35 1693_ed_ass_LB+ UB LEVEL 1 SCENARIO: 1693 Expected Number of severely damaged Masonry Buildings (D>D3) Lower Bound Upper Bound

36 1818_ed_ass_WP LEVEL 2 SCENARIO: 1818 White Expected Number of severely damaged Masonry Buildings (D>D3) White sections not surveyed or R.C. buildings only

37 1693_ed_rel_WP LEVEL 1 SCENARIO: 1693 White Expected Relative Frequency of severely damaged Masonry Buildings (D>D3) White sections not surveyed or R.C. buildings only

38 1693_pi_den_WP LEVEL 1 SCENARIO: 1693 White Expected Number of stories per unit of area (hm 2 ) of severely damaged Masonry Buildings (D>D3)

39 CONCLUSIONI su CATANIA L applicazione suggerisce che la percentuale di edifici in muratura gravemente danneggiati da un terremoto con le caratteristiche di intensità attribuite a quello del 1693 nella città di Catania è tuttora molto alta (dal 60 al 90%) Risulta analogamente molto consistente (dal 20 al 60%) anche per il terremoto di più bassa intensità del Questi valori sono più alti di quelli che ci si potrebbe ragionevolmente attendere (soprattutto per il terremoto di minore intensità); ulteriori calibrazioni statistiche del metodo meccanico impiegato e della correlazione fra PGA ed intensità macrosimica sembrano necessarie.

40 Avanzamenti recenti del metodo macrosismico Utilizzo di metodi basati su un indice di vulnerabilità in funzione di fattori parziali di vulnerabilità o modificatori del comportamento medio della tipologia. Applicazioni con dati ISTAT 1991 (GNDT in Veneto (Bernardini, Meroni, Pessina), Liguria (Lagomarsino e Giovinazzi)) Versione parametrica, in funzione dell Indice di vulnerabilità, delle DPMS implicite alla EMS98; sono più attendibili distribuzioni betadiscretizzate, rispetto alle distribuzioni binomiali. Prime applicazioni ai dati ISTAT 2001 a Sulmona (ReLUIS, , Lagomarsino, Bernardini, Parodi, Martinelli)

41 Damage scenario of the M = 5.8 Cansiglio earthquake Percentuale di edifici collassati censuarie. nelle sezioni LOW alfa = 1 Expected WHITE UP alfa = 0

42 Damage scenario of the M = 6.7 Montello earthquake vittime (left) e senza casa (right) nelle sezioni censuarie. DPM : Expected WHITE

43 Damage scenarios of Cansiglio and Montello earthquakes in the residential area of Vittorio Veneto: numero stimato di senca casa nelle sezioni censuarie DPM : Expected WHITE Mod: soils