He.R.A. heritage at risk assessment: seismic and landslide vulnerability estimation of masonry churches for multilayer single-hazard analysis

Abstract

(English) This research was developed in response to the increasing need for coherent and integrated methodologies to assess the complex and multifaceted risks threatening cultural heritage. Three critical issues were identified at the outset. The inconsistency in terminology and the absence of standardised definitions across risk analysis frameworks, hindering both comparability between studies and the development of actionable strategies. The scarcity of methodologies capable of addressing a large number of heritage architectures, resulting in time and cost-intensive risk assessments that are tailored to specific architectural contexts and difficult to apply elsewhere. The prevailing preference for methodologies that focus on single hazardous events often overlooks the potential for cascading or compound events, despite current risk management guidelines advocating for the integration of multi-event information in planning and preparedness strategies. To address these gaps, the research proposes a quantitative methodology for regional-scale physical vulnerability estimation, specifically targeting seismic and landslide vulnerabilities in historical churches. The adopted methodology is based on a multilayer single-hazard framework, aiming to harmonise and standardise risk analysis procedures. Physical vulnerability is expressed through an index-based approach that combines event intensity indicators with churches physical resistance indicators. While seismic and landslide phenomena are analysed independently, both are evaluated within a shared conceptual approach, which enables direct comparison and prioritisation across hazardous events. Three main phases can be identified. First, the risk context is defined by identifying the objectives, study area characteristics, and hazardous event types. A consistent and scalable data collection process is designed, including the creation of a survey form tailored to masonry churches. The survey form draws on literature-based indicators and existing vulnerability analysis methodologies to support systematic and standardised data gathering for a large building sample. Second, event-specific physical vulnerability indices are developed and validated. The seismic vulnerability index draws on a regression-based model informed by nonlinear static analyses performed on archetypes derived from a typological classification. Generalised Linear Models (GLMs) are employed to relate the probability of failure to churches main geometric attributes. The resulting seismic physical vulnerability index represents the expected tendency of vulnerability over a properly selected range of intensities. The landslide vulnerability index is adapted from an existing method and recalibrated using resistance indicators specifically selected for historical churches. Both indices range into a 0–1 scale and allow for comparability within prioritisation and disaster risk reduction frameworks. Finally, the methodology is extended to estimate scenario-based risk for earthquake-triggered landslides, combining the landslide vulnerability index with susceptibility data and uniform exposure. This scenario-based approach enables the estimation of risk without requiring information on the frequency of the triggering events. The full methodology is applied to a case study in northern Tuscany, a region characterised by high seismicity and widespread slope instability, encompassing 71 surveyed masonry churches. Results reinforce the value of an integrated yet adaptable vulnerability analysis strategy.

(Català) Aquesta recerca s’ha desenvolupat com a resposta a la necessitat creixent de metodologies coherents i integrades per avaluar els riscos complexos i multifacètics que amenacen el patrimoni cultural. Des de l’inici es van identificar tres qüestions crítiques. La inconsistència en la terminologia i l’absència de definicions estandarditzades en els marcs d’anàlisi de risc, que dificulten tant la comparabilitat entre estudis com el desenvolupament d’estratègies aplicables. L’escassetat de metodologies capaces d’abordar un gran nombre d’arquitectures patrimonials, fet que resulta en avaluacions de risc costoses i llargues en el temps, adaptades a contextos arquitectònics específics i difícils de transferir a altres àmbits. La preferència predominant per metodologies centrades en fenòmens perillosos aïllats, que sovint passen per alt el potencial d’esdeveniments en cascada o compostos, malgrat que les directrius actuals de gestió del risc promouen la integració d’informació multiamenaça en les estratègies de planificació i preparació. Per abordar aquestes mancances, la recerca proposa una metodologia quantitativa per a l’estimació de la vulnerabilitat física a escala regional, centrada específicament en la vulnerabilitat sísmica i per esllavissades en esglésies històriques. La metodologia adoptada es basa en un marc d’anàlisi de perill únic per capes múltiples (multilayer single-hazard), amb l’objectiu d’harmonitzar i estandarditzar els procediments d’anàlisi del risc. La vulnerabilitat física s’expressa mitjançant un enfocament basat en índexs que combina indicadors d’intensitat dels esdeveniments amb indicadors de resistència física de les esglésies. Tot i que els fenòmens sísmics i els despreniments s’analitzen de manera independent, ambdós s’avaluen dins un enfocament conceptual compartit, el qual permet la comparació directa i la priorització entre esdeveniments perillosos. Es poden identificar tres fases principals. En primer lloc, es defineix el context de risc mitjançant la identificació dels objectius, les característiques de l’àrea d’estudi i els tipus d’esdeveniments perillosos. Es dissenya un procés coherent i escalable de recollida de dades, que inclou la creació d’un formulari d’inspecció adaptat a esglésies de maçoneria. El formulari es fonamenta en indicadors extrets de la bibliografia i metodologies existents d’anàlisi de vulnerabilitat, i té per finalitat donar suport a una recollida de dades sistemàtica i estandarditzada sobre una mostra àmplia d’edificis. En segon lloc, es desenvolupen i validen índexs de vulnerabilitat física específics per a cada esdeveniment. L’índex de vulnerabilitat sísmica es basa en un model de regressió fonamentat en anàlisis estàtiques no lineals realitzades sobre arquetips derivats d’una classificació tipològica. Es fan servir Models Lineals Generalitzats (GLMs) per relacionar la probabilitat de fallada amb els principals atributs geomètrics de les esglésies. L’índex de vulnerabilitat sísmica resultant representa la tendència esperada de la vulnerabilitat al llarg d’un interval d’intensitats adequadament seleccionat. L’índex de vulnerabilitat per esllavissades s’adapta a partir d’un mètode existent i es recalibra emprant indicadors de resistència específicament seleccionats per a esglésies històriques. Ambdós índexs estan acotats entre 0 i 1, i permeten la comparabilitat dins de marcs de priorització i reducció del risc de desastres. Finalment, la metodologia s’amplia per estimar el risc basat en escenaris d’esllavissades provocades per terratrèmols, combinant l’índex de vulnerabilitat per esllavissades amb dades de susceptibilitat i una exposició uniforme. Aquest enfocament basat en escenaris permet estimar el risc sense requerir informació sobre la freqüència dels esdeveniments desencadenants.La metodologia completa s’aplica a un cas d’estudi al nord de la Toscana, una regió caracteritzada per una elevada sismicitat i una inestabilitat generalitzada de vessants.

(Español) Esta investigación se desarrolló en respuesta a la creciente necesidad de metodologías coherentes e integradas para evaluar los riesgos complejos y multifacéticos que amenazan al patrimonio cultural. Desde el inicio se identificaron tres cuestiones críticas. La inconsistencia en la terminología y la ausencia de definiciones estandarizadas en los marcos de análisis de riesgos, lo que dificulta tanto la comparabilidad entre estudios como el desarrollo de estrategias aplicables. La escasez de metodologías capaces de abordar un gran número de arquitecturas historicas, lo que da lugar a evaluaciones de riesgo costosas y prolongadas en el tiempo, adaptadas a contextos arquitectónicos específicos y difíciles de aplicar en otros lugares. La preferencia predominante por metodologías centradas en eventos individuales peligrosos, que a menudo pasan por alto el potencial de eventos en cascada o compuestos. Para abordar estas carencias, la investigación propone una metodología cuantitativa para la estimación de la vulnerabilidad física a escala regional, centrada específicamente en la vulnerabilidad sísmica y por deslizamiento de tierras en iglesias históricas. La metodología adoptada se basa en un marco de trabajo de amenaza única por capas múltiples (multilayer single-hazard), con el objetivo de armonizar y estandarizar los procedimientos de análisis de riesgos. La vulnerabilidad física se expresa a través de un enfoque basado en índices que combina indicadores de intensidad del evento con indicadores de resistencia física de las iglesias. Aunque los fenómenos sísmicos y de deslizamientos se analizan de forma independiente, ambos se evalúan dentro de un enfoque conceptual compartido que permite la comparación directa y la priorización entre eventos peligrosos. Se pueden identificar tres fases principales. En primer lugar, se define el contexto de riesgo mediante la identificación de los objetivos, las características del área de estudio y los tipos de eventos peligrosos. Se diseña un proceso de recopilación de datos coherente y escalable, que incluye la creación de un formulario de encuesta adaptado a iglesias de obra de fábrica. El formulario se basa en indicadores provenientes de la literatura y metodologías existentes de análisis de vulnerabilidad, para apoyar una recolección de datos sistemática y estandarizada sobre una amplia muestra de edificios. En segundo lugar, se desarrollan y validan índices de vulnerabilidad física específicos para cada evento. El índice de vulnerabilidad sísmica se basa en un modelo de regresión fundamentado en análisis estáticos no lineales realizados sobre arquetipos derivados de una clasificación tipológica. Se emplean Modelos Lineales Generalizados (GLMs) para relacionar la probabilidad de fallo con los principales atributos geométricos de las iglesias. El índice resultante representa la tendencia esperada de la vulnerabilidad a lo largo de un intervalo de intensidades adecuadamente seleccionado. El índice de vulnerabilidad por deslizamientos se adapta a partir de un método existente y se recalibra utilizando indicadores de resistencia seleccionados específicamente para iglesias históricas. Ambos índices están acotados entre 0 y 1, y permiten la comparabilidad dentro de marcos de priorización y reducción del riesgo de desastres. Por último, la metodología se amplía para estimar el riesgo basado en escenarios de deslizamientos de tierras inducidos por terremotos, combinando el índice de vulnerabilidad por deslizamientos con datos de susceptibilidad y una exposición uniforme. Este enfoque basado en escenarios permite estimar el riesgo sin requerir información sobre la frecuencia de los eventos desencadenantes. La metodología completa se aplica a un caso de estudio en el norte de la Toscana, una región caracterizada por una alta sismicidad e inestabilidad generalizada de laderas.