Reduction of the seismic vulnerability of vernacular architecture with traditional strengthening solutions

Abstract

The valorization and preservation of vernacular architecture, as well as traditional construction techniques and materials, is a key-element for cultural identity. As part of this essential objective, the present thesis focuses on vernacular architecture earthquake preparedness, with a particular focus on the Portuguese case. Conservation efforts are often mainly focused on historical constructions and monuments. Furthermore, more detailed and sophisticated seismic vulnerability assessment approaches typically used for monumental buildings require time, cost and resources that are not commonly assigned to the study of vernacular architecture. Earthquakes come unexpectedly, endangering in-use vernacular architecture and the population who inhabits it. That is why the development of a simplified method for the seismic vulnerability assessment of vernacular architecture is of paramount importance. The present research establishes four clear objectives that are accomplished through the development of four research tasks structured along the nine chapters that composed this document. The first part of the thesis is dedicated to the investigation of traditional strengthening construction techniques developed empirically by local communities to protect their built-up environment, based on literature review and on-site visits. The second part deals with the development of two seismic vulnerability assessment methods for vernacular architecture: (1) Seismic Vulnerability Index for Vernacular Architecture (SVIVA); and (2) Seismic Assessment of the Vulnerability of Vernacular Architecture Structures (SAVVAS). The development of these two methods composes the main body of the thesis, which is carried out on the basis of an extensive numerical modeling campaign that also helped to gain a deeper quantitative knowledge on the seismic behavior of representative examples of existing Portuguese vernacular architecture. The third part of the thesis addresses the numerical investigation of traditional strengthening construction solutions identified within the first part. It is mainly intended to validate their efficiency in mitigating the seismic vulnerability of vernacular architecture for their eventual application. Finally, the thesis deals with the application of the two methods in two different case studies. This part allows calibrating the two methods, as well as validating their applicability as first level seismic vulnerability assessment approaches.

A valorização e conservação da arquitetura vernácula, assim como das técnicas e materiais tradicionais de construção, é um elemento chave de identidade cultural. A presente tese centra-se na arquitetura vernácula e na sua preparação para fazer face aos terramotos, em particular no caso português. Os esforços de conservação centram-se em geral nas construções históricas. Abordagens muito detalhadas e sofisticadas para a avaliação da vulnerabilidade sísmica são, sobretudo, aplicáveis em edificios históricos e monumentais, porque requerem um tempo, um custo e uma quantidade de recursos que não podem ser atribuídos ao estudo da arquitetura vernácula. Contudo, os sismos são inesperados e põem em risco a arquitetura vernácula e os seus habitantes. É por isso que o desenvolvimento de um metodo simplificado para a avaliação da vulnerabilidade sísmica da arquitetura vernácula é de suma importância. A presente investigação estabelece quatro objetivos que são atingidos através do desenvolvimento de quatro tarefas organizadas em nove capítulos que compõem este documento. A primeira parte da tese centra-se no estudo de técnicas tradicionais de reforço desenvolvidas por comunidades locais empiricamente, com o objetivo de proteger os seus edifícios das ações sísmicas. Esta parte inclui a revisão da literatura e a investigação in-situ. A segunda parte dedica-se a desenvolver dois métodos para a avaliação da vulnerabilidade sísmica da arquitectura vernácula: (1) Seismic Vulnerability Index for Vernacular Architecture (SVIVA); e (2) Seismic Assessment of the Vulnerability of Vernacular Architecture Structures (SAVVAS). O desenvolvimento destes métodos compõe o corpo principal da tese, baseado num extenso trabalho de modelação numérica, que também contribui para se obter um melhor conhecimento do comportamento sísmico de exemplos existentes e representativos da arquitetura vernácula portuguesa. A terceira parte aborda a investigação numérica das soluções de reforço tradicionais identificadas previamente e destina-se principalmente à validação da sua eficiência na mitigação da vulnerabilidade sísmica da arquitectura vernácula, para assim poder ser aplicadas em edifícios existentes. A tese é concluída com a aplicação dos dois métodos desenvolvidos, em dois casos de estudo. Esta parte contribui para a calibração dos métodos, além da validação da sua aplicabilidade como abordagem de primeiro nível na avaliação da vulnerabilidade sísmica.