Seismic Assessment and Local Retrofitting of Existing Reinforced Concrete Buildings

Seismic risk may be described as the probability that a defined level of earthquake-related losses or damages is exceeded at a given site within a specific time period. It is composed by three independent random variables, namely hazard, vulnerability and exposure. While seismic hazard has the relatively narrow scope of describing the physical effect of an earthquake and it is only determined by Nature, the parameters of vulnerability and exposure may be critical in the reduction of seismic risk, which is an issue that is becoming fundamental in the recent years. It is not possible to reduce the seismic risk through modification of the hazard, but it is possible to mitigate it acting on the vulnerability and exposure, that are humanly determined parameters. There are many solutions that can be adopted in order to reduce these two variables. For example, design new structures for seismic loading, update the building codes in order to incorporate the latest developments in science and technology and retrofit and consolidate existing constructions. Among these possibilities, the retrofitting of real buildings is gaining popularity and increasing interest in the last decades. The goal of this thesis is to contribute to a global understanding of the seismic assessment process of non-seismically-designed RC buildings and the consequent reduction of seismic risk by the use of local retrofitting strategies, in particular using Fiber Reinforced Polymers (FRPs). Various aspects regarding the assessment and retrofitting procedures, in general, and the selected strengthening systems, in particular, are investigated and debated in detail, such as the advantages and weaknesses of the reference guideline, Part 3 of Eurocode 8, the interaction between the assessment and retrofitting processes, the characteristics, design procedures and numerical modelling issues related to the use of FRP-based retrofitting. To do so, a case study frame is analysed. The structure under consideration consists of an existing reinforced concrete frame, chosen in order to be a realistic representation of the typical design methodologies present in southern European countries until the late 1970’s. As such, it is a non-ductile reinforced concrete (RC) frame, designed to withstand vertical loads only and no specific seismic detailing is present. Based first on the results of a detailed assessment according to the currently available European guidelines, a retrofit solution is proposed, designed and evaluated by means of non-linear static and dynamic analyses.

Il rischio sismico può essere definito come la probabilità che un determinato livello di perdite o danni correlati ad un terremoto venga superato in un dato sito ed entro un periodo di tempo specifico. È la convoluzione di tre variabili casuali indipendenti, ovvero la pericolosità sismica, la vulnerabilità sismica e l’esposizione. Mentre la pericolosità sismica ha il solo scopo di descrivere l'effetto fisico di un terremoto ed è determinata unicamente dalla natura, i parametri di vulnerabilità ed esposizione possono essere critici quando si tratta di riduzione del rischio sismico. Non è possibile ridurre il rischio sismico diminuendo la pericolosità, ma è possibile mitigarlo agendo sugli altri due parametri, i quali sono determinati dall’uomo. Esistono varie soluzioni che possono essere adottate per ridurre queste due variabili, ad esempio progettare le nuove strutture per carichi sismici, aggiornare i regolamenti edilizi ed i codici nazionali ed internazionali al fine di incorporare gli ultimi sviluppi tecnologici ed infine la valutazione e la riabilitazione degli edifici esistenti. Quest’ultima possibilità sta guadagnando popolarità ed è soggetta ad un interesse crescente, specialmente negli ultimi anni. L'obiettivo di questa tesi è quello di contribuire a una comprensione globale del processo di valutazione sismica di edifici in cemento armato progettati prima dello sviluppo delle normative sismiche e di studiarne la riduzione del rischio sismico mediante un rinforzo locale (local retrofitting), in particolare utilizzando polimeri fibro-rinforzati (Fiber Reinforced Polymers, FRP). Vari aspetti riguardanti le procedure di valutazione e sistemazione e riguardanti i sistemi di rinforzo selezionati sono stati indagati e discussi nel dettaglio, tra cui i vantaggi e le debolezze delle linee guida di riferimento costituite dalla Parte 3 dell’Eurocodice 8, l'interazione che vi è tra il processo di valutazione e quello di retrofit ed infine le caratteristiche, le procedure di progettazione e i problemi relativi alla modellazione numerica di questa tecnica. Per fare ciò, un caso studio è stato analizzato. La struttura in questione è costituita da un telaio esistente in cemento armato (CA), scelto poiché è una rappresentazione realistica delle metodologie progettuali tipiche presenti nei paesi dell'Europa meridionale fino alla fine degli anni '70. In quanto tale, si tratta di un telaio in cemento armato non duttile (RC), progettato per resistere solo ai carichi verticali e che non presenta alcun dettaglio sismico specifico. Sulla base dei risultati di una valutazione dettagliata attuata secondo le linee guida europee disponibili, è stata proposta, progettata e valutata una soluzione di retrofit mediante analisi non-lineari statiche e dinamiche.