Evaluation of the seismic vulnerability of masonry churches on a territorial scale. Empirical and analytical fragility assessment

The seismic events that occurred in the last decades in Italy highlighted the high vulnerability of churches. Indeed, the seismic response of this particular type of building can be related to the recurring failure mechanism of parts of the structure that demonstrate an almost independent behaviour, called macro-elements. Specific studies aimed at understanding the damage mechanisms of churches have been undertaken since the 1976 Friuli earthquake, but only since the Umbria-Marche earthquake in 1997 a systematic series of post-earthquake surveys have been carried out to evaluate the damage suffered by churches. Damage data is essential for the scientific community as it allows the creation of vulnerability and fragility curves for typologically homogeneous groups of churches and to carry out risk assessment. The survey form currently used for churches since 2006 is the A-DC form that analyses the seismic behaviour of a church by considering 28 collapse mechanisms related to the different macro-element that compose it (i.e. façade, nave, apse, transept, etc.). The first step of the study concern comparing the data related to the identification of the possibility of activation of the collapse mechanisms and the related macro-element of two inspections of the same church. In particular, 225 churches inspected twice by different technicians during the 2016-2017 Central Italy seismic sequence were investigated. The analysis highlighted the presence of frequent interpretative differences. Therefore, each of the 225 churches was carefully analysed to identify the recurring situations that caused these critical issues. Once the weaknesses, but also the potential of the A-DC form, had been identified, the study focused on empirical vulnerability analyses. The data collected during the emergency phase of the three last significant earthquakes (L’Aquila 2009, Emilia 2012, Central Italy 2016/2017), related to a total of 1391 churches, were used to propose typological sets of vulnerability and fragility curves, after a preliminary detailed typological analysis. In order to produce a typological vulnerability model, a new simplified approach to determining vulnerability indexes of churches was proposed based on several vulnerability modifiers, defined pointing out which typological parameters effectively affect the overall vulnerability. These observations also allowed identifying which parameters deserve to be collected on-site, improving the efficiency of future survey campaigns. In conclusion, vulnerability and fragility curves are presented, starting from the vulnerability modifiers. Subsequently, a sub-sample of the previously examined database consisting of 633 single-nave churches affected by the 2016/2017 Central Italy seismic sequence was selected to carry out more detailed vulnerability analyses on a homogeneous sample. So, specific analyses are carried out first to assess the influence of the masonry material and then the effect of single failure mechanisms on the definition of the overall damage index, with the focus of providing qualitative evaluations and explicit vulnerability and fragility curves related to the most recurring and significant collapse mechanisms. Lastly, the numerical derivation of fragility curves related to the mechanism of the overturning of the façade was presented. In particular, linear and non-linear kinematic analyses were performed using Monte Carlo simulation, calibrated on observational data to obtain representative results both in term of mean values and dispersion. Then, the limit state exceedance probability correlated to the displacement related to each damage state was identified using acceleration-displacement spectra, and then fragility sets for simple single-nave churches were derived. In addition, comparisons and sensitivity analyses were performed to establish the influence of specific typological and geometrical parameters on the vulnerability of the overturning mechanism.

Gli eventi sismici verificatisi negli ultimi decenni in Italia hanno evidenziato l’elevata vulnerabilità delle chiese. La risposta sismica di questi edifici è legata a meccanismi di rottura ricorrenti di parti della struttura che dimostrano un comportamento quasi indipendente, chiamati macroelementi. Studi specifici volti alla comprensione dei meccanismi di danneggiamento delle chiese sono stati avviati a seguito del sisma del Friuli del 1976, ma solo a partire dal terremoto dell’Umbria-Marche del 1997 sono state condotte indagini sistematiche post-sisma. I dati relativi al danno sono molto importanti per la comunità scientifica, in quanto consentono di creare curve di vulnerabilità e fragilità per gruppi tipologicamente omogenei di chiese e di effettuare valutazioni di rischio. La scheda di rilievo attualmente utilizzata fin dal 2006 è la scheda A-DC che analizza la risposta sismica di una chiesa considerando 28 meccanismi di collasso relativi ai diversi macroelementi che la compongono (facciata, abside, transetto, ecc.). La prima fase dello studio riguarda il confronto dei dati di attivabilità dei meccanismi di collasso e della presenza del relativo macroelemento ottenuti da due sopralluoghi relativi alla stessa chiesa. In particolare, data la presenza di frequenti differenze interpretative, sono state analizzate nel dettaglio 225 chiese ispezionate due volte da tecnici diversi durante la sequenza sismica che ha colpito il Centro Italia nel 2016/2017 per individuare le situazioni problematiche ricorrenti e le cause delle diverse criticità. Una volta individuate le carenze, ma anche le potenzialità della scheda A-DC, lo studio si è concentrato sulle analisi di vulnerabilità empiriche. I dati raccolti durante la fase emergenziale dei terremoti di L’Aquila 2009, Emilia 2012 e Centro Italia 2016/2017, relativi a un totale di 1391 chiese, sono stati utilizzati per produrre set di curve di vulnerabilità e fragilità, dopo una dettagliata analisi tipologica preliminare. Al fine di produrre un modello di vulnerabilità tipologico, è stato proposto un nuovo approccio semplificato per determinare gli indici di vulnerabilità delle chiese sulla base di diversi modificatori di vulnerabilità, definiti evidenziando i parametri tipologici che maggiormente influenzano la vulnerabilità. Queste osservazioni hanno permesso anche di individuare quali parametri meritano di essere raccolti durante i sopralluoghi, migliorando l’efficienza delle future campagne di indagine. In conclusione viene presentato una set di curve di vulnerabilità e fragilità. Successivamente, è stato selezionato un sotto-campione omogeneo del database precedentemente esaminato, costituito da 633 chiese a navata unica colpite dalla sequenza sismica del Centro Italia 2016/2017, per effettuare analisi di dettaglio. Sono state quindi condotte analisi specifiche per valutare prima l’influenza del materiale della muratura e poi l’effetto dei singoli meccanismi di rottura sulla definizione dell’indice di danno complessivo, con l’obiettivo di fornire valutazioni qualitative e curve di vulnerabilità e fragilità specifiche dei meccanismi di collasso più ricorrenti e significativi. Infine, sono state derivate per via numerica curve di fragilità relative al meccanismo di ribaltamento della facciata. Sono state effettuate analisi cinematiche lineari e non lineari mediante simulazione Monte Carlo, calibrata su dati osservazionali al fine di ottenere risultati rappresentativi sia in termini di valori medi che di dispersione. Quindi, la probabilità di superamento di ciascuno stato di danno è stata identificata attraverso l’utilizzo degli spettri accelerazione-spostamento, andando poi a derivare i set di fragilità per le chiese semplici a una navata. Inoltre, sono stati eseguiti confronti e analisi di sensitività per stabilire l’influenza sulla vulnerabilità del meccanismo di ribaltamento di alcuni parametri tipologici e geometrici