Riabilitazione sismica olistica: Integrazione di sostenibilità, perdite dirette e indirette nella progettazione e nell'ottimizzazione di interventi di retrofit mirati al rischio

Enhancing the resilience of earthquake-prone communities by reducing the seismic vulnerability of their built environment is a crucial aspect of risk mitigation plans. This is often achieved through retrofit interventions on buildings incompliant with current performance standards. The effective implementation of these interventions requires the selection of a suitable retrofit strategy, designed based on pre-defined performance objectives or risk targets, amongst viable options. Decision-support schemes facilitates this process by offering a holistic integration of earthquake consequences, with focus on life safety, financial aspects, and sustainability. Reliable tools and models for characterising these consequences must be provided, especially for building portfolio applications. Practice-oriented approaches enabling performance- or risk-targeted seismic retrofit design with minimal iterations shall also be developed. This dissertation advances the design, optimisation, and selection of retrofit strategies, with a focus on Italian (and Mediterranean) residential reinforced concrete (RC) buildings. It proposes a practice-friendly approach for guiding the retrofit design with minimal iterations. Users can set a desired fragility, expressed as median parameters, and obtain the nominal structural performance to be achieved via retrofitting. The nominal performance is conveyed by the global ratio of displacement capacity to life-safety demand (CDR_LS), which is easy to compute in the preliminary design phase (hazard levels other than LS are applicable, e.g., functional recovery). This approach is also extended to other decision variables, such as targeted risk and life-cycle metrics. The approach is demonstrated using an archetype RC frame retrofitted using three strategies: wrapping columns/joints with fibre-reinforced polymers (FRP), steel, and RC jacketing. Numerous configurations are designed using each strategy to reflect incremental improvement in seismic performance. The dissertation also offers a simulation-based procedure for deriving consequence models, linking global damage states (DSs) a structure may experience to loss metrics. These models benefit portfolio-level risk assessments, allowing rapid loss estimation when combined with building-level fragility relationships. This procedure is used to derive consequence-model distributions for direct loss (repair costs) and repair time, termed damage-to-loss ratios (DLRs) and damage-to-repair time ratios (DTRs). DLRs define the loss ratio (repair normalised by replacement costs) incurred by a building when exposed to global DSs, while DTRs describe the repair time needed for each DS divided by replacement time. These models are derived for nine case-study RC frames with various heights and design-code levels, reflecting typical residential buildings in Italy and the Mediterranean. Consequence models for the carbon footprint (embodied carbon) of seismic damage are also derived. This includes a set of models for Italian structural/nonstructural building components and another set of building-level models, namely damage-to-embodied carbon (DS-CO2) ratios. The dissertation subsequently studies the impact of integrating repair costs, sustainability, and indirect loss on selecting retrofit strategies for the case-study building retrofitted via FRP, steel, and RC jacketing. Sustainability is expressed as both carbon taxes and as life-cycle carbon footprint covering retrofit interventions (evaluated from empirical data) and seismic damage (computed via DS-CO2 ratios). The effects of indirect loss, incurred due to downtime, on decision-making are assessed by quantifying their added risk-reduction benefit to life-cycle costs via the DTRs. Finally, this dissertation sheds light on the importance of considering the increase in seismic fragility/vulnerability caused by ground-motion sequences with respect to retrofit decision-making.

Potenziare la resilienza delle comunità sismiche richiede la riduzione della vulnerabilità sismica degli edifici, spesso ottenuta attraverso interventi di retrofit. La scelta di una strategia di retrofit adeguata è cruciale, basata su obiettivi prestabiliti di prestazione o rischio. Schemi di supporto decisionale facilitano questo processo, considerando in modo olistico le conseguenze dei terremoti con attenzione alla sicurezza, agli aspetti finanziari e alla sostenibilità. Fornire strumenti e modelli affidabili per caratterizzare queste conseguenze, soprattutto per applicazioni su portafogli di edifici, è essenziale. Inoltre, è necessario sviluppare approcci pratici che consentano la progettazione di retrofit sismici con iterazioni minime. Questa tesi avanza nel campo della progettazione, ottimizzazione e selezione di strategie di retrofit, con un focus sugli edifici residenziali in cemento armato (CA) italiani. Propone un approccio pratico per una progettazione di retrofit con iterazioni minime. Gli utenti possono impostare una fragilità desiderata, espressa come parametri mediani, e ottenere le prestazioni strutturali nominali da raggiungere attraverso il retrofit. Le prestazioni nominali sono indicate dal rapporto globale tra capacità di spostamento e domanda di sicurezza strutturale (CDR_LS), facilmente calcolabile nella fase di progettazione preliminare. Questo approccio viene esteso anche ad altre variabili decisionali, come il rischio mirato e le metriche del ciclo di vita. L'approccio è dimostrato utilizzando una struttura CA archetipica retrofit con tre strategie: avvolgimento di colonne con polimeri rinforzati con fibre (FRP), acciaio e giacche in CA. Numerose configurazioni sono progettate utilizzando ciascuna strategia per riflettere un miglioramento incrementale delle prestazioni sismiche. La tesi offre anche una procedura basata sulla simulazione per derivare modelli di conseguenza, collegando gli stati globali di danneggiamento (DS) che una struttura può sperimentare a metriche di perdita. Questi modelli beneficiano delle valutazioni del rischio a livello di portafoglio, consentendo una stima rapida delle perdite quando combinati con le relazioni di fragilità a livello di edificio. Questa procedura è utilizzata per derivare distribuzioni di modelli di conseguenza per la perdita diretta (costi di riparazione) e il tempo di riparazione, denominati rapporti danni-perdita (DLR) e rapporti danni-riparazione (DTR). I DLR definiscono il riparazione normalizzata dai costi di sostituzione subito da un edificio quando esposto a DS, e i DTR descrivono il tempo di riparazione necessario per ciascun DS diviso dal tempo di sostituzione. Questi modelli sono derivati per nove telai CA di studio con altezze e livelli di codice di progettazione vari, riflettendo edifici residenziali tipici in Italia. Vengono derivati anche modelli di conseguenza per l'impronta di carbonio dei danni sismici. Questo include un insieme di modelli per componenti strutturali/non strutturali e un altro insieme di modelli a livello di edificio, vale a dire rapporti danni-carbonio incorporato (DS-CO2). La tesi studia l'impatto dell'integrazione dei costi di riparazione, della sostenibilità e della perdita indiretta sulla selezione delle strategie di retrofit per l'edificio di studio retrofit con FRP, acciaio e giacche in CA. La sostenibilità è espressa sia come tasse sul carbonio che come impronta di carbonio del ciclo di vita che copre gli interventi di retrofit (valutati da dati empirici) e danni sismici (calcolati tramite rapporti DS-CO2). Gli effetti della perdita indiretta sulla presa di decisioni sono valutati quantificando il loro beneficio aggiunto nella riduzione del rischio ai costi del ciclo di vita. Infine, questa tesi fa luce sull'importanza di considerare l'aumento della fragilità/vulnerabilità sismica causato dalle sequenze di movimento del terreno rispetto alle decisioni di retrofit.