Seismic resilience of bridge networks

The consequences of natural and man-made catastrophes show how communities are heavily affected by outages and disruptions of critical facilities. During the last decades, risk assessment and mitigation programs have been carried out in the attempt to improve the capability of structures, infrastructure systems and entire communities to withstand the effects of extreme events and to recover efficiently the original performance and functionality. The concept of resilience can be used to this purpose. Resilience has recently gained a prominent importance in design and assessment of structure and infrastructure systems exposed to extreme events, such as earthquakes. In particular, the resilience of roads and bridge networks plays a key role in the emergency response to seismic events, to ensure both a quick deployment of aids and resources to distressed communities and a prompt repair of the surrounding lifelines and buildings. The thesis presents a probabilistic approach to seismic assessment of bridge structures and resilience analysis of bridge networks. The seismic capacity associated to prescribed limit states, from damage limitation up to collapse, is assessed for single bridges. The level of seismic damage induced by seismic events is related to traffic restrictions involving different categories of road users and a traffic analysis is carried out over the bridge network to compute the system functionality and the corresponding seismic resilience. The effectiveness of the proposed approach is shown through applications to single bridges and highway road networks with different detours and links.

Le catastrofi naturali e indotte dall’uomo mostrano come le comunità risultino sensibilmente esposte agli effetti del danneggiamento strutturale ed alla conseguente interruzione dei servizi delle infrastrutture essenziali. Con riferimento a tali scenari di impegno prestazionale emerge quindi la necessità di valutare, in forma quantitativa, la capacità dei sistemi strutturali e infrastrutturali di sostenere gli effetti del danneggiamento mantenendo le proprie prestazioni a livelli accettabili e di garantire un’adeguata capacità di recupero dello stato pre-evento. A tale scopo è utile riferirsi al concetto di resilienza, che recentemente ha riscontrato un crescente interesse in molti settori dell’ingegneria, con significativi sviluppi e applicazioni soprattutto nell’ambito della progettazione sismica di strutture e reti infrastrutturali. Nello specifico, la resilienza dei sistemi autostradali e delle reti di ponti riveste un ruolo fondamentale nella risposta all’emergenza durante un evento sismico, sia nell’assicurare la rapida distribuzione di aiuti e risorse alle comunità colpite dal sisma sia per un veloce ripristino della piena funzionalità delle strutture e delle infrastrutture danneggiate. Il lavoro di tesi presenta un approccio probabilistico per la valutazione delle prestazioni sismiche di ponti in calcestruzzo armato e della resilienza di reti di ponti. Per ciascun ponte della rete si valuta la capacità sismica associata a predefiniti stati limite, a partire da un danno limitato fino al completo collasso. Il livello di danneggiamento indotto dall’evento sismico è quindi correlato a determinate restrizioni di traffico associate alle diverse categorie di utenti della rete. La funzionalità del sistema di trasporto e la corrispondente resilienza sismica sono infine valutate attraverso un’analisi di traffico della rete autostradale. L’efficacia dell’approccio proposto è mostrata attraverso applicazioni su singoli ponti e reti autostradali caratterizzate da differenti configurazioni topologiche.