Cost-based recovery process optimization of resilient bridge networks under seismic hazards

Due to the increasing intrinsic complexity of infrastructure networks and the interaction between lifelines, it is fundamental to analyze the emergency response of communities to natural catastrophes in terms of both individual components and overall system functionality. In particular, decision makers are called to cope with the detrimental effects of hazardous events by deploying the limited amount of resources at their disposal to promptly and effectively repair the damaged network components. With specific reference to road systems and bridge networks, the concept of resilience can be adapted to define quantitative indicators in order to determine the capability of the transportation lifeline to sustain the impact of hazards, such as earthquakes, and recover desired performance levels in terms of traffic capacity. The need of carrying out the required recovery activities to the damaged bridges within the road network is in conflict with budget limitations and other feasibility constraints. The optimal management of resources require the definition of restoration strategies that, on the one hand, attain the determined constraints by limiting the monetary losses associated with the repair actions and, on the other hand, guarantee sufficient levels of system resilience. With these motivations, the thesis proposes an analytical framework to define optimal recovery profiles of resilient bridge networks under seismic hazard. The proposed methodology integrates the definition of analytical models for structural capacity recovery and bridge repair costs with the definition of appropriate network functionality measures that capture the loss of traffic capacity of the overall road infrastructure. The capabilities of adopted linear optimization methodology are tested with several applications aiming to capture different peculiar aspects of the decision-making process after an earthquake.

A causa della crescente complessità delle reti infrastrutturali e dell'interazione tra i diversi elementi che li compongono, è importante analizzare la risposta all’emergenza delle comunità colpite da eventi catastrofici sia in funzione dei singoli elementi vulnerabili che a livello di funzionalità di sistema.Di conseguenza, i gestori delle reti infrastrutturali sono chiamati a far fronte alle conseguenze di eventi estremi, come i terremoti, investendo una quantità limitata di risorse a propria disposizione per riparare rapidamente e in maniera efficace gli elementi danneggiati. Con riferimento ai sistemi stradali e alle reti di ponti, è possibile affidarsi al concetto di resilienza per definire indicatori prestazionali atti a quantificare la capacità da parte dell’infrastruttura di trasporto di sostenere l’impatto di eventi quali i terremoti e di recuperare livelli adeguati di funzionalità in termini di capacità di traffico. La possibilità di effettuare i necessari interventi di riparazione dei ponti danneggiati nella rete stradale entra in conflitto con i limiti di disponibilità economica e altri vincoli di fattibilità. Una gestione ottimale delle risorse a disposizione richiede la definizione di strategie di recupero che permettano sia di soddisfare questi vincoli limitando le perdite economiche associate alle azioni di riparazione su ciascun elemento danneggiato, sia di garantire sufficienti livelli di resilienza di sistema. L’elaborato presenta un approccio analitico per la definizione di profili ottimali di recupero per reti di ponti colpite da evento sismico. La capacità sismica residua dei ponti della rete viene associata a predefiniti stati limite ed il livello di danneggiamento determina restrizioni di traffico correlate alle diverse categorie di utenti della rete. Le funzionalità dei singoli ponti vengono quindi associate a diverse tipologie di sistemi infrastrutturali e a diversi eventi sismici. Le potenzialità e l’efficacia del modello proposto sono mostrate attraverso diverse applicazioni che evidenziano alcune peculiarità nella risposta all’emergenza post-sisma.