Integrated Structural Measures for Seismic-Flood Risk Reduction and Environmental Sustainability at the Urban Scale

This thesis develops a unified microscale framework for integrated flood and earthquake risk reduction in residential buildings. Here, microscale refers to building-specific assessment in which hazard intensity, exposure attributes, vulnerability functions, and intervention appraisal are represented at the level of individual residential buildings rather than aggregated spatial units. The work is motivated by persistent limitations of single-hazard risk-reduction approaches, which fail to account for the development of coherent mitigation strategies. Although multi-hazard perspectives are widely promoted in scientific and policy domains, their implementation remains restricted by incompatible hazard modelling assumptions, heterogeneous exposure and vulnerability datasets, and decision-making procedures that are not designed to support cross-hazard comparison. These gaps are particularly evident at the building scale, where residents experience impacts directly and where most decisions related to retrofit, maintenance, and adaptation are ultimately made. The thesis addresses these challenges by constructing an integrated analytical framework that harmonizes modelling requirements across hazards and enables consistent appraisal of mitigation strategies. The research begins by establishing a conceptual foundation that systematizes flood and earthquake mitigation measures and examines the decision variables that govern their performance. This foundation clarifies mechanisms through which interventions interact and identifies the conditions that give rise to synergies or trade-offs. Building on this groundwork, the thesis develops a microscale flood risk assessment methodology that combines high-resolution hazard inputs, taxonomic exposure modelling, structural and content vulnerability functions, and cost-effectiveness evaluation of dry and wet floodproofing measures. A parallel seismic risk pillar is then constructed using fragility-based vulnerability and risk assessment. The single-hazard pillars are subsequently harmonized through the alignment of data structures, vulnerability models, and cross-hazard decision variables. This harmonization enables the formulation of an integrated multi-hazard framework capable of assessing combined intervention packages and quantifying their added value relative to single-hazard strategies. The framework is demonstrated through an application to a case study of residential buildings exposed to riverine flooding and seismic hazard under multiple seismic-demand and vulnerability representations and alternative feasibility thresholds. Portfolio results indicate that the preferred intervention space is highly sensitive to assumptions about hazard intensity and vulnerability. Under lower seismic demand, intervention adoption is dominated by no-action outcomes and progresses in a stepwise manner, with integration emerging primarily as an extension of economically viable single-hazard actions. As seismic demand increases and vulnerability is amplified, the actionable portfolio expands markedly and integrated strategies become structurally competitive, capturing a growing share of feasible and Pareto-efficient options. At the same time, the analysis reveals typology-dependent behavior: in high-vulnerability settings, seismic-only strategies can re-emerge as dominant for a subset of buildings, indicating that integration is not universally optimal but contingent on the balance of hazard contributions and building characteristics. A retrospective payback-period comparison further indicates that integrated implementation can reduce payback periods by meaningful margins, with average reductions on the order of the low-to-mid tens of percent and maxima exceeding fifty percent in the most synergy-rich cases, while also highlighting cases where limited cost sharing leads to negligible economic gains, particularly for certain reinforced concrete intervention packages. These results demonstrate that multi-hazard integration can materially alter feasibility and prioritization, but that its benefits are heterogeneous and must be evaluated transparently to avoid misleading generalizations. The thesis concludes by assessing the implications of the proposed framework for risk governance, planning practice, and policy design. It identifies limitations related to hazard interaction modelling, uncertainty treatment, and the availability of context-specific datasets, and suggests directions for future research to advance fully multi-hazard, uncertainty-informed, and environmentally attuned building-scale assessments. The work provides a reproducible methodological pathway for operationalizing multi-hazard principles and supports the development of coherent, equitable, and cost-effective risk-reduction strategies in complex, evolving hazard environments. Although the framework is developed for flood and earthquake risk, its underlying structure is sufficiently flexible and conceptually robust to be adapted to other hazards that share comparable modelling, exposure, and vulnerability characteristics. This adaptability positions the framework as a broader methodological template for advancing integrated risk reduction across diverse multi-hazard contexts.

La presente tesi sviluppa un quadro concettuale e analitico unificato, alla microscala, per la riduzione integrata del rischio da alluvione e da terremoto negli edifici residenziali. In questo contesto, per microscala si intende una valutazione specifica per edificio, nella quale l’intensità dell'evento, le caratteristiche di esposizione, le funzioni di vulnerabilità e la valutazione degli interventi sono rappresentate al livello delle singole unità edilizie residenziali, anziché mediante unità spaziali aggregate. Il lavoro muove dalle persistenti limitazioni degli approcci di riduzione del rischio basati su un singolo pericolo, i quali non sono in grado di supportare l’elaborazione di strategie di mitigazione coerenti. Sebbene le prospettive multirischio siano ampiamente promosse in ambito scientifico e nelle politiche pubbliche, la loro applicazione risulta ancora vincolata da assunzioni di modellazione non compatibili tra le diverse pericolosità, da basi dati eterogenee per esposizione e vulnerabilità e da procedure decisionali non concepite per consentire confronti sistematici tra rischi di natura differente. Tali criticità emergono con particolare evidenza alla scala dell’edificio, dove i residenti subiscono direttamente gli impatti e dove si concentrano, in ultima istanza, le decisioni relative a interventi di adeguamento, manutenzione e adattamento. La tesi affronta queste sfide mediante la costruzione di un quadro analitico integrato che armonizza i requisiti di modellazione tra pericolosità differenti e consente una valutazione comparabile e coerente delle strategie di mitigazione. La ricerca prende avvio dalla definizione di un fondamento concettuale che sistematizza le misure di mitigazione per alluvioni e terremoti ed esamina le variabili decisionali che ne governano l’efficacia. Tale impianto chiarisce i meccanismi attraverso cui gli interventi interagiscono e identifica le condizioni che determinano fenomeni di sinergia oppure di compromesso (trade-off). Su questa base, la tesi sviluppa una metodologia di valutazione del rischio alluvionale alla microscala che integra dati di pericolosità ad alta risoluzione, modelli tassonomici dell’esposizione, funzioni di vulnerabilità strutturale e dei contenuti, nonché procedure di valutazione costo–efficacia per misure di impermeabilizzazione e adattamento all'allagamento (dry e wet floodproofing). In parallelo viene costruito un pilastro dedicato al rischio sismico fondato sull’impiego di funzioni di fragilità e metodi di analisi del rischio basati sulla vulnerabilità. I due pilastri monorischio vengono successivamente armonizzati mediante l’allineamento delle strutture dati, dei modelli di vulnerabilità e delle variabili decisionali rilevanti ai fini del confronto inter-rischio. Tale armonizzazione consente la formulazione di un quadro integrato multirischio capace di valutare pacchetti combinati di interventi e quantificarne il valore aggiunto rispetto alle strategie focalizzate su singoli pericoli. Il quadro metodologico è illustrato attraverso un’applicazione a un caso di studio riguardante edifici residenziali esposti a esondazioni fluviali e pericolosità sismica, considerando molteplici rappresentazioni della domanda sismica e della vulnerabilità, nonché soglie alternative di fattibilità. I risultati a livello di portafoglio evidenziano che lo spazio degli interventi preferibili è fortemente sensibile alle assunzioni relative all’intensità dei pericoli e ai modelli di vulnerabilità. In condizioni di domanda sismica più contenuta, l’adozione degli interventi è dominata da esiti di non-azione e procede in modo incrementale [o: secondo traiettorie graduali], con l’integrazione che emerge principalmente come estensione di misure economicamente sostenibili in un’ottica monorischio. Con l’incremento della domanda sismica e l’amplificazione della vulnerabilità, il portafoglio di opzioni attuabili si amplia in modo significativo e le strategie integrate diventano strutturalmente competitive, acquisendo una quota crescente delle soluzioni fattibili ed efficienti in senso paretiano. Parallelamente, l’analisi mette in evidenza comportamenti dipendenti dalla tipologia edilizia. In contesti caratterizzati da elevata vulnerabilità, strategie esclusivamente sismiche possono riemergere come preferibili per un sottoinsieme di edifici, segnalando che l’integrazione non rappresenta una soluzione universalmente ottimale, ma dipende dal bilanciamento tra contributi dei diversi pericoli e dalle caratteristiche dell’edificio. Una valutazione retrospettiva dei tempi di ritorno economico indica inoltre che l’implementazione integrata può ridurre tali tempi in misura rilevante, con riduzioni medie nell’ordine di alcune decine di punti percentuali (fascia medio-bassa) e valori massimi superiori al cinquanta per cento nei casi caratterizzati da maggiore sinergia, evidenziando al contempo situazioni in cui la limitata condivisione dei costi conduce a benefici economici trascurabili, in particolare per specifici pacchetti di intervento su strutture in calcestruzzo armato. Nel complesso, i risultati dimostrano che l’integrazione multirischio può modificare in modo sostanziale la fattibilità e le priorità di intervento, pur presentando benefici eterogenei che devono essere valutati in modo trasparente al fine di evitare generalizzazioni fuorvianti. La tesi si conclude valutando le implicazioni del quadro metodologico proposto per la governance del rischio, la pratica della pianificazione e la formulazione delle politiche. Vengono individuate limitazioni riconducibili alla modellazione delle interazioni tra pericoli, al trattamento dell’incertezza e alla disponibilità di basi dati specifiche per il contesto, suggerendo direzioni di ricerca utili a promuovere valutazioni alla scala dell’edificio pienamente multirischio, che integrino l'incertezza e siano sensibili alle condizioni ambientali. Il lavoro fornisce un percorso metodologico riproducibile per rendere operativi i principi multirischio e sostiene lo sviluppo di strategie di riduzione del rischio coerenti, eque ed efficienti dal punto di vista economico in contesti caratterizzati da scenari di pericolosità complessi e in evoluzione. Sebbene il quadro sia sviluppato per i rischi alluvionale e sismico, la sua struttura sottostante possiede un grado di flessibilità e di robustezza concettuale tale da consentirne l’adattamento ad altri pericoli che presentano caratteristiche analoghe in termini di modellazione, esposizione e vulnerabilità. Questa adattabilità colloca il quadro metodologico come un modello più ampio per l’avanzamento dell’integrazione nella riduzione del rischio in una varietà di contesti multirischio.