Life-cycle cost-based seismic risk assessment of aging bridge networks

Road infrastructures and bridge networks are becoming increasingly complex systems due to the continuous development of technology in transportation engineering and the incessant growth of urban communities. Infrastructure disservice due to seismic events may lead to unacceptable discomfort for commuters and network downtime leads to economic losses for the affected community, to be quantified in monetary terms by user costs. Seismically vulnerable bridges are also affected by environmental agents that can reduce their structural performance over time. This Thesis aims at investigating the key aspects in seismic risk assessment of bridge networks, exploring the fundamental concepts of hazard, vulnerability, exposure and ageing. A comprehensive life-cycle cost-based probabilistic framework for seismic risk assessment of spatially distributed bridge networks is finally proposed. The seismic risk measure is formulated in terms of annual exceedance rate of a target threshold of user costs. The methodology is applied to a road system in Lombardy region, Italy, reproducing network connectivity and daily travel demands between the four major cities of Cremona, Crema, Lodi and Pavia and the neighbouring municipalities. Despite the fact that the area of interest is characterized by low seismicity, the results allow to quantify the impact of environmental deterioration in exacerbating the network seismic risk, highlighting the need for a life-cycle-informed approach to optimal management of infrastructure systems.

Le infrastrutture stradali e le reti di ponti vedono la loro complessità aumentare assiduamente, a causa del continuo sviluppo della tecnologia nell'ingegneria dei trasporti e dell'incessante crescita degli ambienti urbani. Eventi sismici nei dintorni della rete possono portare a disservizi e riduzioni di funzionalità inaccettabili per gli utenti e quantificabili in termini monetari. La vulnerabilità sismica dei ponti è altresì influenzata dalle azioni ambientali che possono ridurre le prestazioni strutturali nel tempo. Scopo di questa Tesi è lo studio degli aspetti chiave legati alla valutazione del rischio sismico, indagando i concetti fondamentali di pericolosità, di vulnerabilità, di esposizione e di degrado strutturale. Si propone un approccio a ciclo di vita per la valutazione del rischio sismico in termini di costi per l'utente per sistemi di ponti spazialmente distribuiti. La misura di rischio è formulata come tasso di superamento annuale di una soglia di costi per l'utente. La metodologia viene applicata ad una rete stradale situata nella regione Lombardia. La rete è rappresentativa della connettività fra le città di Cremona, Crema, Lodi e Pavia e fra le municipalità più piccole nelle vicinanze di queste. Nonostante la bassa sismicità dell'area esaminata, i risultati consentono di quantificare l'impatto del degrado ambientale sul rischio sismico associato alla rete di ponti, evidenziando in tal modo la necessità di un approccio integrato all'analisi a ciclo di vita per una gestione ottimale dei sistemi infrastrutturali.