Da sismico a multi-pericolo: modellazione della vulnerabilità fisica dinamica per la valutazione del rischio

Natural hazards increasingly pose severe threats to lives and livelihoods globally. When these hazards impact vulnerable assets, infrastructure, and communities, they can result in catastrophic consequences. Moreover, the interplay of rapid urbanisation, population growth, wealth accumulation, climate change, and ageing infrastructure is expected to worsen these impacts in future. However, current disaster risk assessment frameworks often fall short in capturing the evolving vulnerability of engineering systems, as they fail to account for time-dependent deterioration mechanisms. This limitation highlights the urgent need for a paradigm shift towards dynamic physical vulnerability modelling, which incorporates the progressive and cumulative damage and, thus, consequences of hazards over a system’s service life. Advancing this aspect is essential for developing informed disaster management strategies to mitigate risk and enhance resilience. This dissertation advances the field of dynamic (i.e., time-dependent) physical vulnerability modelling by addressing critical gaps in existing, predominantly static (i.e., time-independent) approaches. It focuses on characterising damage accumulation and its consequences, driven by hazard-induced deterioration mechanisms (both instantaneous and gradual) affecting engineering systems. Innovative computational methodologies are developed to derive vector-valued fragility and vulnerability models incorporating time dependencies. These models are integrated into frameworks for disaster risk assessment and life-cycle consequence analysis. Results highlight the crucial importance of incorporating dynamic factors into fragility and vulnerability modelling. For instance, accounting for earthquake-induced ground-motion duration significantly alters damage and loss estimates for individual buildings and building portfolios. This shift in focus emphasises the necessity of considering the duration of seismic events (i.e., ground shakings), in addition to their spectral shape as per standard practice, to achieve more accurate risk estimates, particularly in regions where the engineering systems are prone to damage accumulation and long-duration ground motions. Moreover, integrating cumulative damage from seismic sequences and corrosion deterioration into fragility and vulnerability modelling results in significantly higher life-cycle consequences compared to traditional approaches. By accounting for both the lifetime effects of sudden deterioration due to repeated ground motions and gradual deterioration caused by environmentally-induced corrosion on engineering systems, these models provide a more comprehensive understanding of risk within this specific multi-hazard context. This underscores the importance of evaluating physical vulnerability over time rather than narrowing the scope to isolated single events. Furthermore, considering complex interactions between hazard-event occurrences and their related physical impacts in life-cycle consequence analyses leads to amplified outcomes. Life-cycle consequences are not merely the sum of those obtained from analysing hazard types independently but are generally greater, highlighting the importance of modelling hazard interactions. The compounding and cascading effects of multiple interacting hazard events, coupled with ageing and deteriorating processes, can significantly impact the performance of engineering systems beyond what static models predict, particularly for spatially distributed ones...

I pericoli naturali rappresentano minacce sempre più gravi per vite umane e mezzi di sussistenza a livello globale. Quando questi pericoli colpiscono asset vulnerabili, infrastrutture e comunità, possono avere conseguenze catastrofiche. Inoltre, l'interazione tra rapida urbanizzazione, crescita demografica, accumulo di ricchezza, cambiamento climatico e invecchiamento delle infrastrutture è destinata ad aggravare questi impatti in futuro. Tuttavia, gli attuali modelli di valutazione del rischio di disastri spesso non riescono a cogliere la vulnerabilità in evoluzione dei sistemi ingegneristici, poiché non considerano i meccanismi di deterioramento dipendenti dal tempo. Questa limitazione evidenzia l'urgente necessità di un cambiamento di paradigma verso la modellazione dinamica della vulnerabilità fisica, che incorpori il danno progressivo e cumulativo e, di conseguenza, gli effetti dei pericoli nel corso della vita utile di un sistema. Migliorare questo aspetto è essenziale per sviluppare strategie informate di gestione dei disastri, al fine di mitigare i rischi e rafforzare la resilienza. Questa dissertazione contribuisce al progresso della modellazione dinamica (ovvero dipendente dal tempo) della vulnerabilità fisica, affrontando lacune critiche negli approcci esistenti, prevalentemente statici (ovvero indipendenti dal tempo). L'attenzione è focalizzata sulla caratterizzazione dell'accumulo di danno e delle sue conseguenze, derivanti da meccanismi di deterioramento indotti dai pericoli (sia istantanei che graduali) che colpiscono i sistemi ingegneristici. Sono state sviluppate metodologie computazionali innovative per derivare modelli di fragilità e vulnerabilità a valori vettoriali, che incorporano dipendenze temporali. Questi modelli vengono poi integrati nei framework di valutazione del rischio di disastri e di analisi delle conseguenze nel ciclo di vita. I risultati evidenziano l'importanza cruciale di incorporare fattori dinamici nella modellazione della fragilità e della vulnerabilità. Ad esempio, considerare la durata del moto del suolo indotto da un terremoto modifica in modo significativo le stime di danni e perdite sia per edifici singoli sia per portafogli edilizi. Questo cambio di prospettiva sottolinea la necessità di considerare la durata degli eventi sismici (ovvero le scosse del terreno), oltre alla loro forma spettrale come da prassi standard, per ottenere stime del rischio più accurate, soprattutto nelle regioni in cui i sistemi ingegneristici sono soggetti ad accumulo di danno e a moti sismici di lunga durata. Inoltre, integrare il danno cumulativo derivante da sequenze sismiche e dal deterioramento per corrosione nei modelli di fragilità e vulnerabilità porta a conseguenze sul ciclo di vita significativamente più elevate rispetto agli approcci tradizionali. Considerando sia gli effetti a lungo termine del deterioramento improvviso dovuto a scosse sismiche ripetute, sia il deterioramento graduale causato dalla corrosione ambientale nei sistemi ingegneristici, questi modelli forniscono una comprensione più completa del rischio in un contesto multi-pericolo specifico. Ciò sottolinea l'importanza di valutare la vulnerabilità fisica nel tempo, anziché limitarsi a singoli eventi isolati. Inoltre, l'analisi delle conseguenze nel ciclo di vita, che considera le complesse interazioni tra il verificarsi di eventi pericolosi e i relativi impatti fisici, porta a risultati amplificati. Le conseguenze sul ciclo di vita non sono semplicemente la somma delle analisi condotte separatamente per ogni tipo di pericolo, ma tendono generalmente a essere superiori, evidenziando l'importanza di modellare le interazioni tra pericoli. Gli effetti composti e a cascata di più eventi pericolosi interagenti, uniti ai processi di invecchiamento e deterioramento, possono avere un impatto significativo sulle prestazioni dei sistemi ingegneristici...