Resumen de Seismic vulnerability assessment of reinforced concrete buildings. Analysis of primary schools’ buildings of the southwestern Iberian Peninsula

María Victoria Requena García de la Cruz

• English

  Among existing natural disasters, earthquakes have historically caused the most outstanding damage and human losses. The destructive impact of an earthquake depends on its magnitude, and the vulnerability and the resilience of the population. Therefore, in order to minimise its consequences, prevention and resilience should be improved. In fact, the minimisation of the geological and geotechnical risks associated with natural disasters has become one of the main challenges of European and national policies, especially after the damage caused by recent earthquakes in Europe. Rigorous seismic vulnerability analyses to enhance the behaviour of buildings can help to reduce the seismic damage, the human losses and the economic impact due to future seismic events This thesis addresses this challenge by establishing two main objectives: i) to assess the seismic vulnerability of RC buildings focusing on primary school buildings located in the southwestern Iberian Peninsula, particularly the Algarve-Huelva region; and ii) to develop specific seismic retrofitting methods for the schools to improve their seismic behaviour and to reduce their expected seismic damage. It has focused on the study of RC primary school buildings in southwestern Spain due to their vulnerability: i) a major part of them was constructed with RC structures prior to restrictive seismic codes (i.e., aseismic design, low-quality structural materials, reinforcement ratios, among others); ii) the considerable seismic hazard of the area, characterised by far away earthquakes of a long-return period and large-very large magnitude; iii) the low/adult child ratio and the post-traumatic stress and depressive disorders that children can suffer from after surviving an earthquake. To do so, first, the seismic hazard of the Algarve-Huelva area has been analysed. This study has revealed considerable differences in the seismic codes of Spain and Portugal, particularly in the definition of the response spectra. Then, the characterisation of the primary school buildings located in Huelva has been carried out, which has not been performed to date. Later, the seismic performance of the buildings has been assessed by means of the performance-based method. The capacity of the structures has been obtained through nonlinear static analyses. The seismic safety has been analysed by means of two procedures: i) obtaining the local damage following the European seismic code procedure; and ii) defining the global damage by means of fragility curves. According to the results, a major part of them were built with an RC system and do not comply with the seismic safety requirements, being seismically vulnerable. In order to enhance the seismic performance of the buildings, several seismic retrofitting strategies have been assessed. They have been selected according to the analysis of the state of the art. An index-based method has been proposed to select the most suitable solution according to efficiency, the construction cost and the architectural impact. The results showed that the steel X-bracings and the single braces retrofitting strategies were the most profitable. In addition, due to the lack of guidance in the seismic codes, a procedure to assess the ductility of existing Spanish buildings has been presented. The analyses concluded that the deep-beams models outperformed the rest. Furthermore, it was found out that enhancing the ductility leads to higher damage reduction, resulting in configurations that are more beneficial. Therefore, the enhancement of the ductile behaviour of RC framed buildings considering retrofitting techniques has been assessed. Different non-invasive solutions have been considered in order not to disrupt the normal use of the buildings. They have been compared in terms of a benefit-cost ratio. Finally, the effects of soil-structure interaction haven analysed. It has been concluded that they can worsen the seismic performance of buildings. They should be included in future seismic vulnerability analyses.

• English

  Los terremotos se encuentran entre los desastres naturales que han producido históricamente mayores daños y pérdidas de vidas humanas. La capacidad destructiva de un terremoto depende de su magnitud, la vulnerabilidad de las construcciones y la capacidad de recuperación de la población. Por tanto, para minimizar sus consecuencias, se debe mejorar la prevención y la resiliencia. De hecho, la minimización de los riesgos geológicos y geotécnicos debidos asociados a desastres naturales se ha convertido en uno de los principales retos de diversas políticas europeas y nacionales. Este interés se ha acrecentado debido a los efectos catastróficos de recientes terremotos sufridos en Europa. En este contexto, los análisis de vulnerabilidad sísmica rigurosos permiten mejorar el comportamiento de los edificios para así reducir el daño sísmico, las pérdidas humanas y el impacto económico de futuros eventos sísmicos. Esta tesis pretende dar respuesta a este problema centrándose en dos objetivos: i) evaluar la vulnerabilidad sísmica de los colegios de educación primaria de hormigón armado (HA) localizados en el suroeste de la península Ibérica, en particular, en la región Algarve-Huelva; ii) desarrollar métodos específicos de refuerzo sísmico para que los colegios mejoren su comportamiento sísmico y se reduzca el daño sísmico esperado. Este trabajo se ha centrado en estos edificios debido a su vulnerabilidad: i) una gran parte se construyó con estructura de HA antes de la entrada en vigor de códigos sísmicos restrictivos (presentan un diseño asísmico, materiales estructurales de baja calidad o bajos porcentajes de armadura, entre otros); ii) la considerable peligrosidad sísmica del área, caracterizada por terremotos lejanos de largo período de retorno y magnitud grande-muy grande; iii) la baja proporción de niños/adultos y el estrés postraumático y los trastornos que pueden sufrir los niños tras un terremoto. Para ello, en primer lugar, se ha analizado la peligrosidad sísmica de la zona Algarve-Huelva. Este estudio ha revelado que los códigos sísmicos de España y Portugal son considerablemente diferentes, sobre todo en el proceso de definición del espectro de respuesta. A continuación, se ha llevado a cabo la caracterización de los colegios de educación primaria ubicados en Huelva, trabajo que hasta la fecha no se había realizado. Posteriormente, se ha evaluado el comportamiento sísmico de los edificios mediante el método performance-based. La capacidad de las estructuras se ha obtenido mediante análisis estáticos no lineales. La seguridad sísmica se ha analizado a través de dos procedimientos: i) la obtención del daño local siguiendo el proceso establecido en el código sísmico europeo; y, ii) la definición del daño global mediante curvas de fragilidad. Según los resultados, una gran parte de los colegios fueron construidos con estructuras de HA y no cumplen con los requisitos de seguridad sísmica, siendo sísmicamente vulnerables. Para mejorar el comportamiento sísmico de los edificios, se han evaluado varias estrategias de refuerzo sísmico. Estas han sido seleccionados según el análisis del estado del arte. Se ha propuesto un método basado en un índice para seleccionar la solución más adecuada según la eficiencia, el coste económico y el impacto arquitectónico. Los resultados muestran que las estrategias basadas en la implementación cruces y diagonales de acero son las más rentables. Además, debido a la falta de información en los códigos sísmicos, se ha presentado un método para evaluar la ductilidad de las edificaciones existentes en España. Los análisis concluyen que los modelos con vigas de canto tienen un comportamiento sísmico mejor que el resto. Además, se concluyó que al mejorar la ductilidad se obtiene una mayor reducción del daño, obteniendo soluciones más óptimas. Por tanto, se ha evaluado la mejora de la ductilidad de los edificios considerando técnicas de refuerzo sísmico. Diferentes soluciones no invasivas se han considerado para no interferir con el uso normal de los mismos. Estas han sido comparadas mediante una ratio coste-beneficio. Finalmente, se han analizado los efectos de la interacción suelo-estructura. Se ha concluido que el suelo puede emporar el comportamiento sísmico de los edificios. Por tanto, deberían ser incluidos en futuros análisis de vulnerabilidad sísmica.