Seismic vulnerability and risk assessment of historic masonry buildings

Seismic risk evaluation of built-up areas involves analysis of the level of earthquake hazard of the region, building vulnerability and exposure. Within this approach that defines seismic risk, building vulnerability assessment assumes great importance, not only because of the obvious physical consequences in the eventual occurrence of a seismic event, but also because it is the one of the few potential aspects in which engineering research can intervene. In fact, rigorous vulnerability assessment of existing buildings and the implementation of appropriate retrofitting solutions can help to reduce the levels of physical damage, loss of life and the economic impact of future seismic events. Vulnerability studies of urban centresshould be developed with the aim of identifying building fragilities and reducing seismic risk. As part of the rehabilitation of the historic city centre of Coimbra, a complete identification and inspection survey of old masonry buildings has been carried out. The main purpose of this research is to discuss vulnerability assessment methodologies, particularly those of the first level, through the proposal and development of a method previously used to determine the level of vulnerability, in the assessment of physical damage and its relationship with seismic intensity.

Cyclic behaviour of RC elements with plain reinforcing bars

O comportamento cíclico das estruturas de betão armado é fortemente condicionado pelo mecanismo de aderência entre o betão e o aço. O escorregamento relativo entre os dois materiais, resultante da degradação progressiva da aderência em elementos solicitados por ações cíclicas, é uma causa frequente de danos graves e até do colapso de estruturas devido à ocorrência de sismos. Entre as estruturas existentes de betão armado que foram dimensionadas e construídas antes da entrada em vigor dos regulamentos sísmicos atuais, muitas foram construídas com armadura lisa, e portanto, possuem fracas propriedades de aderência. A informação disponível na literatura sobre o comportamento cíclico de elementos estruturais de betão armado com armadura lisa é reduzida e a influência das propriedades da aderência associadas a este tipo de armadura no comportamento cíclico das estruturas existentes não se encontra ainda devidamente estudada. O objectivo principal desta tese foi estudar a influência do escorregamento na resposta cíclica de elementos estruturais de betão armado com armadura lisa. Foram realizados ensaios cíclicos em elementos do tipo nó viga-pilar, construídos à escala real, representativos de ligações interiores em edifícios existentes sem pormenorização específica para resistir às ações sísmicas. Para comparação, foi realizado o ensaio de um nó construído com armadura nervurada. Foi ainda realizado o ensaio cíclico de uma viga de betão armado recolhida de uma estrutura antiga. Foram elaborados modelos numéricos não-lineares para simular a resposta dos elementos ensaiados, concentrando especial atenção no mecanismo do escorregamento. Os resultados obtidos no âmbito desta tese contribuem para o avanço do conhecimento sobre o comportamento cíclico de elementos estruturais de betão armado com armadura lisa. As análises numéricas realizadas comprovam a necessidade de incluir os efeitos do escorregamento na modelação numérica deste tipo de estruturas de forma a representar com rigor a sua resposta às ações cíclicas.

Biaxial seismic behaviour of reinforced concrete columns

A análise dos efeitos dos sismos mostra que a investigação em engenharia sísmica deve dar especial atenção à avaliação da vulnerabilidade das construções existentes, frequentemente desprovidas de adequada resistência sísmica tal como acontece em edifícios de betão armado (BA) de muitas cidades em países do sul da Europa, entre os quais Portugal. Sendo os pilares elementos estruturais fundamentais na resistência sísmica dos edifícios, deve ser dada especial atenção à sua resposta sob ações cíclicas. Acresce que o sismo é um tipo de ação cujos efeitos nos edifícios exige a consideração de duas componentes horizontais, o que tem exigências mais severas nos pilares comparativamente à ação unidirecional. Assim, esta tese centra-se na avaliação da resposta estrutural de pilares de betão armado sujeitos a ações cíclicas horizontais biaxiais, em três linhas principais. Em primeiro lugar desenvolveu-se uma campanha de ensaios para o estudo do comportamento cíclico uniaxial e biaxial de pilares de betão armado com esforço axial constante. Para tal foram construídas quatro séries de pilares retangulares de betão armado (24 no total) com diferentes características geométricas e quantidades de armadura longitudinal, tendo os pilares sido ensaiados para diferentes histórias de carga. Os resultados experimentais obtidos são analisados e discutidos dando particular atenção à evolução do dano, à degradação de rigidez e resistência com o aumento das exigências de deformação, à energia dissipada, ao amortecimento viscoso equivalente; por fim é proposto um índice de dano para pilares solicitados biaxialmente. De seguida foram aplicadas diferentes estratégias de modelação não-linear para a representação do comportamento biaxial dos pilares ensaiados, considerando não-linearidade distribuída ao longo dos elementos ou concentrada nas extremidades dos mesmos. Os resultados obtidos com as várias estratégias de modelação demonstraram representar adequadamente a resposta em termos das curvas envolventes força-deslocamento, mas foram encontradas algumas dificuldades na representação da degradação de resistência e na evolução da energia dissipada. Por fim, é proposto um modelo global para a representação do comportamento não-linear em flexão de elementos de betão armado sujeitos a ações biaxiais cíclicas. Este modelo tem por base um modelo uniaxial conhecido, combinado com uma função de interação desenvolvida com base no modelo de Bouc- Wen. Esta função de interação foi calibrada com recurso a técnicas de otimização e usando resultados de uma série de análises numéricas com um modelo refinado. É ainda demonstrada a capacidade do modelo simplificado em reproduzir os resultados experimentais de ensaios biaxiais de pilares.

Development of open models and tools for seismic risk assessment: application to Portugal

The exponential growth of the world population has led to an increase of settlements often located in areas prone to natural disasters, including earthquakes. Consequently, despite the important advances in the field of natural catastrophes modelling and risk mitigation actions, the overall human losses have continued to increase and unprecedented economic losses have been registered. In the research work presented herein, various areas of earthquake engineering and seismology are thoroughly investigated, and a case study application for mainland Portugal is performed. Seismic risk assessment is a critical link in the reduction of casualties and damages due to earthquakes. Recognition of this relation has led to a rapid rise in demand for accurate, reliable and flexible numerical tools and software. In the present work, an open-source platform for seismic hazard and risk assessment is developed. This software is capable of computing the distribution of losses or damage for an earthquake scenario (deterministic event-based) or earthquake losses due to all the possible seismic events that might occur within a region for a given interval of time (probabilistic event-based). This effort has been developed following an open and transparent philosophy and therefore, it is available to any individual or institution. The estimation of the seismic risk depends mainly on three components: seismic hazard, exposure and vulnerability. The latter component assumes special importance, as by intervening with appropriate retrofitting solutions, it may be possible to decrease directly the seismic risk. The employment of analytical methodologies is fundamental in the assessment of structural vulnerability, particularly in regions where post-earthquake building damage might not be available. Several common methodologies are investigated, and conclusions are yielded regarding the method that can provide an optimal balance between accuracy and computational effort. In addition, a simplified approach based on the displacement-based earthquake loss assessment (DBELA) is proposed, which allows for the rapid estimation of fragility curves, considering a wide spectrum of uncertainties. A novel vulnerability model for the reinforced concrete building stock in Portugal is proposed in this work, using statistical information collected from hundreds of real buildings. An analytical approach based on nonlinear time history analysis is adopted and the impact of a set of key parameters investigated, including the damage state criteria and the chosen intensity measure type. A comprehensive review of previous studies that contributed to the understanding of the seismic hazard and risk for Portugal is presented. An existing seismic source model was employed with recently proposed attenuation models to calculate probabilistic seismic hazard throughout the territory. The latter results are combined with information from the 2011 Building Census and the aforementioned vulnerability model to estimate economic loss maps for a return period of 475 years. These losses are disaggregated across the different building typologies and conclusions are yielded regarding the type of construction more vulnerable to seismic activity.

Avaliação da vulnerabilidade sísmica de edifícios escolares

A grande motivação para este trabalho resultou na avaliação da vulnerabilidade sísmica das escolas básicas e secundárias que fazem parte integrante do parque escolar de Portugal Continental. Apesar de até ao momento apenas se terem estudado a vulnerabilidade de algumas escolas em algumas zonas particulares do nosso país, para este trabalho de investigação tivemos uma ambição muito maior e obviamente fizemos um esforço muito maior. Estabelecemos assim como meta, a avaliação de todo o parque escolar. Embora todo o parque escolar possua na ordem das três centenas de escolas em todo o território nacional e sendo este projeto de reabilitação, um projeto com a duração de 2007 a 2015. Em 2011, por motivos da crise económica, todo o projeto congelou sendo reabilitadas até à data cerca de apenas um terço das escolas. Esta quantidade foi o número de escolas que avaliamos em todo o país. As escolas, sendo edifícios públicos com uma importância fundamental, tanto pela elevada concentração de jovens, como pela função essencial como centros de aprendizagem para as gerações vindouras, como também pela ameaça que representam na eventualidade dum cenário sísmico pela enorme densidade de utilizadores, e pela vantagem de nesse cenário de catástrofe a importância estrutural ser superior em relação à maior parte dos edifícios correntes, devidamente demonstrado pelos argumentos enumerados, consequentemente as escolas podem servir como instalações de proteção civil perante uma catástrofe sísmica para apoio das populações circundantes afetadas. Portanto para cada uma das escolas cordialmente fornecidas pelo Parque Escolar, E.P.E., foi feito um estudo exaustivo e muito individual de cada uma das escolas, onde cada análise foi desenvolvida por uma metodologia simplificada, sendo cada análise sempre individual, e nunca tendo sida aplicada em série, este fator melhora substancialmente a eficácia da avaliação para a quantificação das vulnerabilidades e da determinação do grau de dano e das frações de perda para os requisitos fundamentais de limitação de danos, de não colapso, e de colapso iminente que correspondem a ações com períodos de retorno de 95, 475 e 975 anos. Este trabalho é fundamental para as entidades competentes terem a consciência da vulnerabilidade das escolas secundárias, para puderem atuar a nível estrutural e diminuir assim a vulnerabilidade sísmica, e mesmo que por impossibilidade económica o poder governamental não intervenha, então pode e principalmente deve, elaborar planos de emergência tanto com engenheiros civis qualificados como com a total colaboração das corporações de bombeiros que fazem parte das forças de operação e socorro da Autoridade Nacional de Proteção Civil (ANPC).

Sustentabilidade em infraestruturas desportivas : caso dos estádios de futebol

É evidente a crescente preocupação da opinião pública com os conceitos de Sustentabilidade. Nesta época de mudança, de crise económica global, é de todo premente a sua utilização efetiva, em especial na área da construção que tem sido o reflexo desta nova realidade. A Sustentabilidade na construção deve focar para além das fases de projeto e execução, a fase de exploração, gestão operacional, ou seja, em todo o ciclo de vida da construção. Verifica-se que as cidades sendo grandes aglomerados tanto de edifícios como de instalações são os focos de mudança para a Sustentabilidade. As grandes instalações, em especial os Estádios de Futebol, apresentam assim um impacte muito significativo na Sustentabilidade global. Em Portugal, para o campeonato Europeu de 2004, foram efetuados oito novos Estádios e remodelados dois, que tem vindo a verificar alguns problemas na sua gestão, em especial devido à ausência ou reduzida utilização. Estes Estádios podem ter um mecanismo para acompanhar e promover a sua Sustentabilidade. O desenvolvimento desse mecanismo deve ter como base o estudo dos diversos conceitos referidos anteriormente, como têm sido abordados, bem como os mecanismos existentes de avaliação da Sustentabilidade. A recolha de informação relativa à Sustentabilidade tanto nos Estádios Nacionais, verificando em especial a perspetiva dos respetivos gestores, como de outros Estádios Europeus que apresentam na sua Gestão conceitos de Sustentabilidade e os Estádios que estão a ser finalizados para o Campeonato do Mundo de 2014, que é definido que será um evento Sustentável. A partir desses dados desenvolvem-se um Sistema de Gestão Dinâmico para a Sustentabilidade dos Estádios. Este Sistema apresenta diversos mecanismos que devem ser utilizados para a promoção da Sustentabilidade na Gestão dos Estádios, sendo iniciado através de uma Avaliação do Desempenho Inicial da Sustentabilidade. Através de uma Simulação de Avaliação do Desempenho Inicial ao Estádio do Dragão verifica-se a aplicabilidade. Da parte da equipa de Gestão do Estádio do Dragão considera-se o conceito desenvolvido com elevada relevância e aplicabilidade para apoiar a melhoria da sua Gestão com vista à Sustentabilidade. A Sustentabilidade na Gestão de Infraestruturas Desportivas é possível em qualquer fase do seu ciclo de vida, podendo ser desde uma pequena mudança até à aplicação de um Sistema de Gestão para o efeito. As cidades devem potenciar mecanismos para a promoção da Sustentabilidade no seu território, em especial nas grandes instalações, para o impacte na redução de emissões de CO2 ser significativo.

Characterisation of the cyclic behaviour of reinforced concrete elements with plain bars

Sismos recentes comprovam a elevada vulnerabilidade dos edifícios existentes de betão armado. A resposta das estruturas aos sismos é fortemente condicionada pelas características da aderência aço-betão, que exibe degradação das propriedades iniciais quando sujeitas a carregamentos cíclicos e alternados. Este fenómeno é ainda mais gravoso para elementos com armadura lisa, predominantes na maioria das estruturas construídas até à década de 70 nos países do sul da Europa. A prática corrente de conceção, dimensionamento e pormenorização das estruturas antigas leva a que tenham características de comportamento e níveis de segurança associados não compatíveis com as exigências atuais. Os estudos realizados sobre o comportamento cíclico de elementos estruturais de betão armado com armadura lisa são ainda insuficientes para a completa caracterização deste tipo de elementos. Esta tese visou a caraterização da relação tensão de aderência versus escorregamento para elementos estruturais com armadura lisa e o estudo da resposta cíclica de pilares e nós viga-pilar de betão armado com armadura lisa. Foram realizados dez séries de ensaios de arrancamento (nove monotónicos e um cíclico) em provetes com varões lisos. Os resultados destes ensaios permitiram propor novas expressões empíricas para a estimativa dos parâmetros usados num modelo disponível na literatura para representação da relação tensão de aderência versus escorregamento. É ainda proposto um novo modelo monotónico para a relação tensão de aderência versus escorregamento que representa melhor a resposta após a resistência máxima de aderência. Uma campanha de ensaios unidirecionais em pilares e nós viga-pilar foi também realizada com o objetivo principal de caracterizar o comportamento cíclico deste tipo de elementos. No total foram realizados oito ensaios em pilares, sete ensaios em nós viga-pilar interiores e seis ensaios em nós viga-pilar exteriores representativos de estruturas antigas de betão armado com armadura lisa. Os resultados experimentais permitiram avaliar a influência do escorregamento e estudar o mecanismo de corte em nós e a evolução dos danos para elementos com armadura lisa. Com base nos resultados experimentais foi proposta uma adaptação na expressão do Eurocódigo 8-3 para o cálculo da capacidade última de rotação de elementos com armadura lisa. Foi também desenvolvido um estudo paramétrico, com diferentes estratégias de modelação não linear, para a simulação da resposta de pilares considerando o escorregamento da armadura lisa. Por último, foi proposto um novo modelo simplificado trilinear para o aço que contempla o efeito do escorregamento da armadura lisa.