Life-cycle seismic risk assessment of aging bridges and road transportation networks

Transportation systems are an essential component of sustainable development and economic growth of urban societies, which heavily depend on their safety and reliability. However, infrastructure systems are at risk from aging, fatigue and deterioration process resulting from aggressive chemical attacks. The detrimental effects of these phenomena can lead over time to unsatisfactory structural performance under service loadings or accidental actions and extreme events, such as earthquakes. These problems pose a major challenge to the field of structural engineering because the classical time-invariant structural design criteria and methodologies need to be revised to account for a proper modeling of a structural system over its entire life-cycle by also properly taking into account the evolution over time of aleatory and epistemic uncertainties. The thesis deals with risk-based design and assessment of RC aging infrastructure and road transportation network exposed to seismic hazard. A general probabilistic framework is developed for the economic quantification of seismic risk of bridges and transportation networks. Time-varying seismic capacity at different limit states is computed by means of incremental dynamic analyses. Expected Annual Loss related to repair, social and environmental costs components are taken into account. Life-cycle costs for a single RC aging bridge are studied, considering different combinations of seismic hazards and bridge strategic relevance. The evolution in time of costs spatial distributions associated to series and parallel bridge systems are also investigated. The effectiveness of the proposed approach is demonstrated through the application to series, parallel and mixed bridge road networks. Criteria and suggestions for risk based design and management of transportation networks are finally provided based on the results of the applications.

L’affidabilità e la sicurezza delle reti infrastrutturali sono fondamentali per la crescita e lo sviluppo economico delle società moderne. L’invecchiamento di materiali e componenti, l’usura e i processi di degrado attivati dall’esposizione ad ambienti aggressivi, possono portare nel tempo ad un graduale e costante deterioramento delle strutture in calcestruzzo armato, le cui prestazioni strutturali possono risultare non adeguate a sostenere i carichi di servizio o a far fronte ad eventi naturali, quali ad esempio i terremoti, lungo l’intero arco della vita utile. In questo contesto, la valutazione delle prestazioni strutturali a ciclo di vita richiede l’introduzione di approcci probabilistici che recepiscano un’adeguata modellazione del sistema strutturale e delle incertezze aleatorie ed epistemiche coinvolte. La tesi presenta una metodologia per la valutazione a ciclo di vita del rischio sismico di infrastrutture in calcestruzzo armato e di sistemi di trasporto soggette a corrosione indotta da cloruri. L’evoluzione nel tempo della capacità sismica associata al raggiungimento di assegnati stati limite viene valutata mediante analisi dinamica non lineare incrementale, tenendo conto in forma probabilistica delle incertezze coinvolte nel problema. Il rischio sismico è quantificato attraverso la perdita economica annua attesa associata ai costi di riparazione, sociali e ambientali. L’approccio proposto viene applicato alla valutazione del rischio sismico di un ponte in calcestruzzo armato e reti stradali con ponti in serie e in parallelo considerando diversi scenari di pericolosità sismica e livelli di rilevanza strategica del manufatto. L’efficacia dell’approccio viene mostrato mediante la sua applicazione a reti infrastrutturali caratterizzate da diverse configurazioni. Sulla base dei risultati ottenuti, si forniscono alcune indicazioni per una progettazione ed una gestione delle reti di trasporto orientate alla mitigazione del rischio sismico.