https://doi.org/10.1007/s10518-018-0378-9

ORIGINAL RESEARCH PAPER

Central Italy sequence: simulated damage scenario for the main 2016 shocks

Barbara Borzi1 · Marta Faravelli1 · Diego Aldo Polli1

Received: 22 May 2017 / Accepted: 2 April 2018 / Published online: 15 May 2018

copy; Springer Science Business Media B.V., part of Springer Nature 2018

Abstract Damage scenarios for the main events of the 2016 Central Italy earthquake sequence have been simulated. In order to describe the seismic performance of the as-built in the area, the mechanic based method simplified pushover-based earthquake loss assess- ment has been adopted. This methodology has been extensively validated by means of comparison between numerically calculated damage scenario and observed damage. These data have been collected during the surveys in areas hit by earthquakes in Italy in the last 40 years (starting form 1976 Friuli earthquake until 2012 Emilia earthquake). The calcula- tion of damage scenario has been performed in a user friendly WebGIS platform developed for the Italian Department of Civil Protection. The paper gives an overview of methods and informatics tools prior to present the results of the damage scenario. The results of damage scenarios are summarized in tables, charts and maps. Further, improvements of the tools now available are also identified for future developments.

Keywords Damage scenario · Real time · Observed damage · Vulnerability · WebGIS

Introduction

In the first days after the occurrence of a seismic event is particularly helpful to have a tool that, using the earthquake data provided by INGV (National Institute of Geophysics and Volcanology), returns a first evaluation of the expected damages and losses in order

 Marta Faravelli marta.faravelli@eucentre.it

Barbara Borzi barbara.borzi@eucentre.it

Diego Aldo Polli diego.polli@eucentre.it

1 European Centre for Training and Research in Earthquake Engineering (EUCENTRE), Via Ferrata 1, 27100 Pavia, Italy

to trigger an early response to support and manage the rescue activities. To this end, Eucentre (European Centre for Training and Research in Earthquake Engineering) has developed a WebGIS platform (i.e. Geographic Information System published on web) able to run real time damage scenarios.

In order to quantify vulnerability and losses, a large number of research projects have produced fragility curves and damage probability matrices (DPMs). The fragility curve describes the conditional probability of being in or exceeding a certain damage limit state for a selected intensity of the ground motion. A damage probability matrix expresses what will happen to buildings, designed according to some particular set of requirements, during earthquakes of various intensities. Therefore, the same probability expressed in the fragility curves is a component of a damage probability matrix in dis- crete terms.

The first Damage Probability Matrices produced in Italy were the ones by Braga et al. (1982) as a result of the statistical treatment of the damage data collected in the munici- palities affected by the Irpinia earthquake in 1980. The Italian National Seismic Service has processed the same Irpinia 1980 database, in order to obtain DPMs (Di Pasquale et al. 1998). Main differences between Di Pasquale et al. (1998) and the original version of DPMs proposed in Braga et al. (1982) consist in the use of dwellings instead of buildings and the earthquake intensity in terms of MCS (Mercalli–Cancani–Sieberg) scale (Sieberg 1930) instead of the MSK (Medvedev–Sponheuer–Karnik) scale (Medvedev et al. 1964). More recently, Lagomarsino and Giovinazzi (2006) have developed DPMs from European Macroseismic Scale (EMS) (Gruuml;nthal 1998) that provides a model for the estimation of the earthquake impact from the observed damage on buildings considering five levels of dam- age, besides the absence of damage.

In recent years, a remarkable effort in the derivation of ground motion prediction equa- tions (GMPEs) able to provide spectral values of acceleration/displacement has been done, leading to the possibility of defining hazard maps in terms of spectral values. This allowed the development of analytical methods for the definition of the seismic vulnerability at regional scale.

In Europe, fragility curves recently elaborated by means of nonlinear dynamic analysis on reinforced concrete (RC) moment-resisting frame buildings are reported in Hancilar and Ccedil;aktr (2015) for Turkey and Pitilakis et al. (2014) for Greece. Tsionis and Fardis (2014) have developed other curves for Greece obtained with nonlinear static analysis. For rein- forced concrete (RC) Italian buildings, Del Gaudio et al. (2015) elaborated fragility curves through simplified mechanic method. For unreinforced masonry buildings, most of the mechanic based methods make reference to nonlinear static analyses in order to describe the building performance. Simotilde;es et al. (2015) implemented curves for Portugal, Lago- marsino and Cattari (2014) for Italy and Karantoni et al. (2014) for Greece.

In the WebGIS platform used to elaborate the damage scenarios here described, t

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意大利中部地震序列: 2016年主要地震的损坏情景模拟

Barbara Borzi1 · Marta Faravelli1 · Diego Aldo Polli1

摘要：2016年意大利中部地震序列主要事件的损坏情况已经被模拟出来。为了描述该地区建筑的抗震性能，采用机械化方法简化了基于弹塑性分析的地震损失评估。 通过对数值计算损害情景与观测到的损害进行比较，验证了该方法的可行性。这些数据是在过去40年意大利地震灾区的调查中收集的。 （从1976年弗里利地震开始到2012年艾米利亚地震）。损坏情况的计算是在为意大利民防部开发的用户友好型WebGIS平台上进行的。本文概述了在介绍损坏情景结果之前的方法和信息学工具。 损坏情况的结果在表格、图表和地图中汇总。此外，还确定了改进现有工具，以便将来发展。

Keywords 损坏情况；实时；损失观测；脆弱性； WebGIS

简介

在地震事件发生后的最初几天里，能有一个使用由国家地震局提供的地震数据，返回对预期损害和损失的第一次评估的工具，以便触发早期反应，支持和管理救援活动是非常有用的。 为此，Eucentre (欧洲地震工程训练和研究中心)开发了一个 WebGIS 平台(即网上发布的地理信息系统) ，能够实时计算损坏情景。

为了量化易损性和实际造成的损失，通过大量的研究之后产生了脆弱性曲线和损失概率矩阵(DPMs)。 脆性曲线描述了地震强度选定时处于或超过某一损伤极限状态的条件概率。 损失概率矩阵表示在不同强度的地震中，根据某些特定要求设计的建筑物将会发生什么。 因此，以脆性曲线表示的相同概率是损失概率矩阵的离散的组成部分。

布拉加等人(1982年)通过对1980年 Irpinia 地震灾区收集的损失数据进行统计处理，在意大利制作了第一批损失概率矩阵。 意大利国家地震局也处理了同样的 Irpinia 1980年数据库，以获得 DPMs (Di Pasquale 等人，1998年)。 Di Pasquale 等人(1998)与布拉加等人(1982)提出的 DPMs 原始版本之间的主要区别在于使用住宅而不是建筑物，以 MCS (Mercalli-Cancani-Sieberg)标度(Sieberg 1930)而不是 MSK (Medvedev-heuer-Karnik)标度(Medvedev 等人1964)。 最近，Lagomarsino 和 Giovinazzi (2006)根据欧洲宏观地震尺度(EMS)(gr nthal 1998)开发了 DPMs，为考虑5个水坝年龄层的建筑物观测损伤的地震影响评估提供了一个模型。

近年来，地震动预测方程(GMPEs)的推导工作取得了显著进展，能够提供加速度 / 位移的谱值，从而有可能根据谱值确定灾害图。 这使我们能够制定区域级地震易损性定义的分析方法。

在欧洲，最近用非线性动力分析方法研究的脆性曲线在 Hancilar 和 Ccedil;aktr (2015)为土耳其和 Pitilakis 等人(2014)为希腊被报道。 Tsionis 和 Fardis (2014)已经绘制了用非线性静力分析得到的其他希腊曲线。 对于钢筋混凝土(RC)意大利建筑，Del gadio 等人(2015)通过简化力学方法阐述了脆性曲线。 对于无配筋砌体房屋，大多数基于力学的方法都是参考非线性静力分析来描述房屋的性能。 Sim es et al. (2015)对葡萄牙、拉戈-马西诺和卡塔里(2014)对意大利和卡兰托尼等人(2014)对希腊实施了曲线。

在描述损伤情景的 WebGIS 平台中，实现了简化的基于弹塑性分析的地震损失评估方法(SP-BELA)(Borzi 等人，2008a，b，c)。 贝拉法是一种通过位移容量与地震振动所需位移量的比较来确定损伤概率的力学方法。 Sp-bela 已得到广泛验证(Borzi 和 Faravelli，2017年) ，以评估其描述意大利建成的地震性能的能力。 通过对数值计算得到的损伤情景与地震调查后收集到的实测损伤数据进行比较，验证了力学模型的正确性。 分析中使用的简化脆弱性分类是对 Dolce 等人(2003)提出的分类的阐述，如第2章所解释的。

Table 1 脆弱性等级 Masonry Reinforced concrete

Class A: 高度易损型 Class C2: 非抗震建筑物 Class B: 中度易损型 Class D: 抗震设计建筑物 Class C1: 低度易损性

Table 2 砌体易损性等级与建筑龄期的关系

建筑物(Angeletti 等人，2002年)

本文件概述了计算损害情景所采用的方法，并介绍了在提出为2016年意大利中部地震序列计算的损害情景之前从技术上转让该方法的信息学工具。

损害情景评估

已经为受地面震动影响的市镇的建筑存量确定了2016年意大利中部序列的损坏情况。

在意大利，住宅建筑物的暴露数据库是意大利国家统计研究所的数据库。每10年进

行一次调查，除其他信息外，还收集和分享有关建筑材料、层数和建筑物年龄的数

据。

用于本文所有分析的数据库是 ISTAT 2001。 这些数据来自市政府决议，是根据建筑物的数量和居住在建筑物中的人口计算的。 从这些数据出发，每个城市的建筑物存量被划分为五个脆弱性等级[这一分类是 Dolce 等人(2003)提议的详细说明] ，作为建筑年龄和城市地震分类日期的函数(表1)。 特别是，对于砌体建筑物已经使用了表2中报告的分布，安杰莱蒂等人从1980年 Irpinia 地震数据开始详细阐述(2002年)。 对于钢筋混凝土的建筑物，另外，通过比较市政当局指定的建筑周期的地震带，就有可能确定建筑物是否按照抗震设计规定进行设计。 按照 Angeletti 等人(2002)的建议，根据每个脆弱性等级中建筑物的百分比作为建筑龄期的函数，在确定建筑物的脆弱性等级时，考虑到了砖石建筑物的可变性。对于钢筋混凝土结构而言，脆弱性等级的划分对脆弱性评价没有影响，因为钢筋混凝土结构的 SP-BELA 方法是完全基于分析的方法。 建筑样板是按照施工时的设计规范进行设计的，它将建筑物描述为建筑时代的函数。 将每个城市的建筑物划分为脆弱性等级，目的是在计算数值计算的损伤情景时描述其脆弱性。 另一方面，被调查的建筑物没有被划分为脆弱性等级，用于与数值计算的损害情况进行比较的损害程度是通过收集表格直接收集的。

采用 SP-BELA 方法对建筑物的地震易损性进行了评价。 Sp-BELA 将推覆曲线的定义与基于位移的框架结合起来，类似于基于位移的地震损失评估(d-BELA)(Crowley 等人，2004年)。 用这种方法计算了建筑物等级的脆弱性，即达到或超过某一损伤极限条件的概率。

该方法的主要组成部分涉及根据选定作为脆弱性类别代表的原型结构确定建筑物总体的能力。 通过简化弹塑性分析，得到了基础抗剪承载力。 弹塑性曲线是完全弹塑性的，但钢筋混凝土构件例外，其中填充板的贡献起到了一个低损伤水平的作用(Borzi 等人，2008年 c)。 由于钢筋混凝土框架的变形超过了填充墙板本身的变形能力，假定填充墙板发生严重破坏。 根据技术文献和 Borzi 等人(2008a)和 Borzi 等人(2008b)的钢筋混凝土和砌体结构的试验结果，定义了塑性铰的槽式转动能力，定义了与不同极限状态有关的能力曲线上的位移能力。对于砌体建筑，推覆曲线的使用符合低脆弱性假设(C1级) ，因为推覆曲线是砌体面内破坏机理的代表。 为了计算平面内基底剪切能力，考虑了 Benedetti 和 Petrini (1984)提出的关系式和 Restrepo-Velez 和 Magenes (2004)提出的修正。 一旦确定了系统的容量，就可以利用 capac-ity 曲线上与损伤极限状态相对应的每一点来定义等效单自由度系统的性质，该等效单自由度系统在等效振动周期、位移容量和耗能量方面与原系统等效。 正如 Borzi 等人(2008a)所记载的那样，能量耗散通过一个可能与延性和损伤有关的系数加以考虑。该系数 eta; (lt; 1) 可用于频谱纵坐标的乘法或分离离散能力。 利用位移坐标系建立了 SP-BELA 系统的需求模型。 计算超越每个极限状态概率的方法如下。 计算了每栋建筑物的推覆曲线。 一旦振动的等效周期、位移容量和系数已知，对于每个极限状态，可以在位移谱的平面上画出一个点。 如果点高于谱曲线，则容量高于需求，因此相应的建筑满足极限条件。 当点在频谱以下时，需求高于容量，建筑物不满足极限条件，从而在高损伤条件下演化(图1)。 通过对样本的所有建筑物重复这一过程，谱曲线下的点数除以总体维数得到超越概率。

由于缺乏足够的信息来模拟一个结构中可能出现的所有机制，如导致高层建筑倒塌

的非平面破坏机制，所以 SP-BELA 方法只考虑了低脆弱性砌体建筑(C1类)和钢筋

混凝土建筑(C2类和 d 类)。 此外，SP-BELA 方法是一种根据数值定义的极限状态

(ls1ー轻度损伤、 ls2ー重度损伤和 LS3-col-lapse)来评价建筑物抗震性能的力学方

法。 然而，为了处理损害情景有用的期间后立即根据1998年国家地震台网规范

(gr nthal，1998)的破坏等级(d0ー d5ー崩溃无破坏) ，必须有地震事件的结果，

通常用于民用防护目的。

折叠倍增器



KLS2

弹性位移谱

Sd

dem lt; cap The structure doesnrsquo;t exceed LS2

y LS2

LS3

dem = cap

dem gt; cap



The structure reaches LS2 The structure exceeds LS2

T

TLS2

KLS2

( )

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