Development of hurricane based fragility curves for wood-zinc houses in Puerto Rico

Abstract

The costliest natural disasters to strike Puerto Rico in the last century have been caused by tropical storms and hurricanes. Over the years, many attempts were made to reduce vulnerability by improving the infrastructures. The results have been mixed for what can be best described as lack of focus on areas needing the most attentions. Woodzinc houses are constructed using stud walls and a roof system formed by fastening corrugated, galvanized steel sheets, referred to as zinc, to wood spacers and rafters. In the aftermath of hurricane Georges, in 1998, nearly 5,000 houses were destroyed and more than 95,000 houses suffered extensive roof damage. The majority of the houses involved were wood-zinc houses. Consequence-based Risk Management, CRM, is a new multidisciplinary approach to multi-hazards risk reduction that was developed over the last decade by the researchers at the Mid-America Earthquake Center, MAE. In the CRM approach, a succession of processes and decisions are used to predict the consequences of a particular hazard, be it an earthquake, fire, flood, or a hurricane. The UPRM, being a member of MAE, was assigned the task of examining the portability of the CRM into a multi-hazards environment. The wood-zinc structures were selected as the best example to test the consequence minimization The purpose of this investigation is to select prototypes, quantify demand and resistance functions, and develop fragility curves for different classes of wood-zinc structures used in Puerto Rico. From historical records, the roof system and the roof-to wall connections have been the most vulnerable components for these structures. Other components considered are the wall systems, the wall sidings, and the openings. Full scale laboratory testing was used to model the roof systems based on a new dynamic load protocol. The structural systems tested varied from weak, W, to common, C1 and C2, to strong, S1 and S2, to ultimate, U. The S2 and U systems use zinc straps as a roof retrofitting measure. Different design and built configurations were also examined for roof-to-wall connections and wall systems. Simulations show substantial improvements in the performance of systems whenever high code standards are followed.

Los desastres naturales más dañinos en azotar la isla de Puerto Rico el último siglo han sido tormentas tropicales y huracanes. Con el pasar de los años, se han realizado muchos intentos con el propósito de mitigar los daños mejorando la infraestructura del país. Los resultados han sido variados debido mayormente a falta de atención y enfoque en las áreas críticas. Estas residencias son construidas con paredes de madera y un sistema de techo compuesto por viguetas y alfajías de madera que sostienen las planchas de zinc criollo, como son conocidas en la Isla. Luego del azote del huracán Georges en 1998, cerca de 5,000 residencias fueron destruidas, mientras que sobre 95,000 casas sufrieron daños extensos en el techo. La mayoría de estas residencias eran de madera con techos de madera y zinc. El manejo de riesgo basado en consecuencias (CRM, por sus siglas en inglés) es un enfoque multidisciplinario nuevo, basado en la reducción de riesgos de diversos desastres. El mismo fue desarrollado durante la última década por investigadores en el Mid-America Earthquake Center, (MAE, por sus siglas en inglés). Durante la implementación del CRM, una serie de procesos y decisiones se utilizan para predecir las consecuencias de un desastre en particular, sea éste un terremoto, un fuego, una inundación o un huracán, entre otros. La Universidad de Puerto Rico, recinto de Mayagüez, siendo miembro del centro MAE, emprendió la tarea de estudiar la aplicación del CRM a un ambiente expuesto a múltiples desastres. Las estructuras de madera y zinc fueron seleccionadas como el mejor ejemplo para probar las técnicas de mitigación y minimización de consecuencias. El propósito de esta investigación fue el seleccionar prototipos, cuantificar demandas de cargas y capacidad y desarrollar curvas de fragilidad para las diversas estructuras de madera y zinc en Puerto Rico. Históricamente, los componentes más vulnerables de estas estructuras han sido el sistema de techo y las conexiones techopared. Tanto el sistema de paredes como su cubierta y aperturas fueron considerados. Pruebas experimentales a escala real utilizando un protocolo de carga novel fueron realizadas para modelar el sistema de techo. Los sistemas estructurales estudiados variaron entre las configuraciones débiles (W), comunes (C1 y C2), fuertes (S1 y S2) y última (U). Varias configuraciones para las conexiones entre techo y pared y para los sistemas de pared también fueron evaluadas. Las simulaciones realizadas demuestran mejoras substanciales en el desempeño de los sistemas que son construidos con mayor calidad.