Seismic vulnerability assessment of traditional timber frame and masonry wall buildings : aplication to the historical centre of Valparaíso, Chile.

Abstract

The seismic vulnerability of urban assets exposed to earthquake hazard represents a growing concern in the engineering field due to the potential risk of collapse for the buildings, and the associated devastating consequences for the inhabitants. This concern has led to the development of novel strategies for the assessment of the seismic vulnerability of the existing buildings. An accurate evaluation of the seismic vulnerability constitutes the point of departure for the implementation of the necessary mitigation strategies aimed at increasing the seismic resilience of the cities. Seismic vulnerability assessment (SVA) at large-scale requires robust knowledge of the existing structural typologies, often biased by the intrinsic uncertainties related to local construction materials and techniques, especially in territories composed of historical and vernacular constructions. A propaedeutic stage of SVA is the definition of building taxonomies to characterize the structural features of the buildings and their main sources of vulnerabilities. This difficult task requires the availability of consistent technical data, which are commonly scarce in cities with historical constructions. This doctoral thesis contributes to the development of suitable methodologies for the systematic surveying of urban buildings in historical urban centres, by proposing four complete survey forms for timber, masonry, reinforced concrete and steel/iron structural typologies. This tool aims to improve and optimize the complex process of collecting and gathering data about the structural characteristics of the existing building stock. This thesis also contributed to the calibration of simplified numerical models for the assessment of the seismic vulnerability of traditional buildings composed of timber frame and masonry wall structures. The nonlinear behaviour is simulated through the adoption of Lumped Plasticity Models (LPM) for timber frames, and continuum Finite Element (FE) models for masonry walls. The calibration of these models is pursued based on rigorous comparisons with numerous experimental tests available in the scientific literature. The developed simplified numerical models for timber frame and masonry wall structures are used to assess the seismic vulnerability of two existing buildings located in the historical centre of the city of Valparaíso, Chile. The numerical models are employed afterwards to analyse the different structural configurations of timber-masonry buildings of the study area. The examined structural configurations differ in the organization of the resisting systems, number of storeys, and presence of structural irregularities. The different pushover analyses show the influence of the aforementioned parameters on the seismic behaviour of the buildings. This research proposes a tentative set of scores and weights for the application of the Vulnerability Index Method (VIM) to traditional buildings composed of timber frame and masonry wall structures based on a numerical investigation. The resulting VIM form is calibrated by applying the N2 method to determine the seismic performance of the representative typologies within the study area. This study is based on the results of a numerical study, unlike other available VIM forms available in the existing literature are based on past post-earthquake surveys of damaged buildings. The thesis ends in a prospective study on the seismic vulnerability by VIM of 111 buildings located in three neighbourhoods of the historical centre of Valparaíso. This is an area of special interest, as it includes two of the main evacuation routes for the city in case of a tsunami, and congregate different typologies of heritage buildings, made of timber, masonry, and reinforced concrete. The obtained results are used to create seismic vulnerability maps in a GIS environment that may be used for future works aimed at the definition of proper policies for the implementation of mitigation strategies.

La vulnerabilidad sísmica de zonas urbanas expuestas a terremotos representa una creciente preocupación en el campo de la ingeniería debido al potencial riesgo de colapso de los edificios, y las consecuencias devastadoras que afectan a sus habitantes. Esta inquietud ha motivado el desarrollo de nuevas estrategias para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de los edificios existentes en centros urbanos. Un correcto estudio de la vulnerabilidad sísmica constituye el punto de partida para la correcta implementación de estrategias de mitigación enfocadas a aumentar la resiliencia sísmica de las ciudades. Los estudios de vulnerabilidad sísmica a escala urbana requieren un alto nivel de conocimiento respecto a las tipologías constructivas existentes, información comúnmente sesgada por las incertidumbres intrínsecas de los edificios, asociadas a los materiales y técnicas de construcción locales, especialmente en territorios compuestos por construcciones históricas o de naturaleza vernácula. Una etapa propedéutica de este tipo de estudios es la definición de una taxonomía de edificios, que permita caracterizar los sistemas estructurales existentes y detectar sus principales fuentes de vulnerabilidad. Esta tesis doctoral contribuye al desarrollo de una metodología para el levantamiento sistemático de edificios históricos en centros urbanos, basada en la formulación de cuatro formularios de encuestas para tipologías estructurales de entramado de madera, mampostería, hormigón armado y acero/hierro forjado. Otra importante contribución de esta tesis se centra en la calibración de modelos numéricos simplificados y orientados a la práctica para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica de edificios tradicionales compuestos por muros de entramados de madera y mampostería. El comportamiento no lineal dichas estructuras es simulado mediante el uso de Modelos de Plasticidad Concentrada para muros de entramado de madera, y modelos continuos de Elementos Finitos para muros de mampostería. La calibración de estos modelos se lleva a cabo en base a rigurosas comparaciones entre diferentes ensayos experimentales disponibles en la literatura científica. Los modelos propuestos se utilizan para la evaluar la vulnerabilidad sísmica de dos edificios existentes situados en el centro histórico de la ciudad de Valparaíso, Chile. Este caso de estudio se caracteriza por su singular entorno urbano, donde predominan los sistemas estructurales compuestos por muros de entramados de madera y mampostería. Los modelos numéricos se utilizan para analizar diferentes configuraciones estructurales de los edificios de entramado de madera y mampostería localizados en tres barrios históricos del centro de la ciudad de Valparaíso. Este estudio examina diferentes configuraciones estructurales que difieren en la organización de los sistemas resistentes, número de plantas y la presencia de irregularidades estructurales. La siguiente etapa de esta investigación propone una calibración preliminar del Método del Índice de Vulnerabilidad (MIV) para edificios de entramado de madera y mampostería. Una nueva ficha de vulnerabilidad se calibra en base a una investigación numérica y en la aplicación del Método N2 para determinar el rendimiento sísmico de los edificios. Esta tesis culmina con un estudio prospectivo de la vulnerabilidad sísmica aplicando el MIV a 111 edificios ubicados en tres barrios del centro histórico de Valparaíso. Esta incluye dos de las principales rutas de evacuación de la ciudad en caso de tsunami y alberga diferentes tipologías de edificios patrimoniales, hechos de entramados de madera, mampostería y hormigón armado. Los resultados obtenidos se utilizan para crear mapas de vulnerabilidad sísmica en el entorno GIS que pueden utilizarse para llevar a cabo planes futuros para la implementación de estrategias de mitigación de la vulnerabilidad.