Seismic vulnerability and risk assessment of code-conforming highway bridges in Italy

The experience on the social and economic impacts that past earthquakes have directly had on infrastructure systems have led to a continuously revision and update of current standards and guidelines related to the design of bridge structures subjected to ground motion shakings; from proposals regarding analysis and design fundamentals that can be both easy to follow by engineering practitioners and theoretically consistent, to construc-tability details that can enforce, with a reliable confidence level, such fundamentals in order to prevent catastrophic consequences from unfolding during an earthquake event. In this regard, significant efforts are currently being directed towards the seismic vulner-ability and risk assessment of bridges that are compliant with modern design practice so as to explicitly quantify probabilistic measures of structural consequences that are rather implicit in standards and codes. This thesis is in line of this efforts, as it presents a probabilistic framework for evaluat-ing the seismic fragility and structural failure rates of highway bridges based on a global scalar damage measure of the system. Accordingly, aimed at providing an informed crite-rion for modeling assumptions, different numerical modeling strategies for capturing the key nonlinearities of major bridge components in seismic response analyses are presented as well. Based on the type of modeling assumptions, strain-based damage metrics are proposed as measures for the local and global damage of reinforced concrete piers. Sub-sequently, by adopting such damage metrics, a sensitivity analysis of the seismic vulnera-bility of a code-conforming shallow viaduct is carried out to study the effects of explicit-ly modeling the axial–flexural, shear and bond-slip nonlinearities of its squat (stocky) reinforced concrete piers under three different levels of seismic hazard, each of which associated with an earthquake-prone area in Italy. Correspondingly, the structural failure rates of the viaduct are explicitly computed. Finally, it is shown that this type of shallow viaduct resulted excessively overdesigned if minimum reinforcement seismic requirements and constructability provisions were fol-lowed in the design process; as a consequence, the bridge responded slightly nonlinearly and therefore preventing the structure from developing the ductility levels for which it was conceived. However, irrespective of the low levels of plasticity, a clear variability in adopting different modeling assumptions and seismic hazard levels was observed, there-by highlighting the importance of the adoption of proper modeling assumptions depend-ing on the ground motion intensities.

L'esperienza sugli impatti sociali ed economici che i passati terremoti hanno avuto direttamente sui sistemi infrastrutturali hanno portato ad una continua revisione e aggiornamento delle attuali norme e linee guida relative alla progettazione delle strutture dei ponti soggette a scosse di movimento del suolo; partendo da proposte riguardanti analisi e fondamenti di progettazione che fossero sia facili da seguire da professionisti dell'ingegneria che teoricamente coerenti, a dettagli costruttivi che possono garantire, con un livello di fiducia affidabile, tali fondamenti al fine di prevenire conseguenze catastrofiche che si manifestano durante un evento sismico. A questo proposito, sono attualmente in corso sforzi significativi verso la vulnerabilità sismica e la valutazione del rischio di ponti conformi alle moderne pratiche di progettazione in modo da quantificare esplicitamente misure probabilistiche delle conseguenze strutturali che sono piuttosto implicite nelle norme e nei codici. Questa tesi è in linea con questi sforzi, in quanto presenta un quadro probabilistico per la valutazione della fragilità sismica e delle frequenze di superamento del danno strutturale dei ponti autostradali sulla base di una misura di danno scalare globale del sistema. Di conseguenza, allo scopo di fornire un criterio informato per le ipotesi di modellazione, vengono presentate anche diverse strategie di modellazione numerica per catturare le non linearità chiave dei principali componenti del ponte nelle analisi della risposta sismica. Sulla base del tipo di ipotesi di modellazione, le metriche del danno basate sulla deformazione vengono proposte come misure per il danno locale e globale dei pilastri in cemento armato. Successivamente, adottando tali metriche di danno, viene condotta un'analisi di sensibilità della vulnerabilità sismica di un viadotto basso conforme alla normativa per studiare gli effetti della modellazione esplicita delle non linearità assiale-flessionale, di taglio e della perdita di ancoraggio delle armature alle basi dei suoi tozzi pilastri in cemento armato sotto tre diversi livelli di pericolosità sismica, ciascuno dei quali associato a un'area sismica in Italia. Di conseguenza, vengono calcolati esplicitamente le frequenze di superamento di danno strutturale del viadotto. Infine, è stato dimostrato che questo tipo di viadotto superficiale risultava eccessivamente sovradimensionato se nel processo di progettazione erano stati seguiti i requisiti sismici minimi di armatura e le disposizioni di costruibilità; di conseguenza, il ponte ha risposto in modo leggermente non lineare e quindi impedendo alla struttura di sviluppare i livelli di duttilità per cui era stata concepita. Tuttavia, indipendentemente dai bassi livelli di plasticità, è stata osservata una chiara variabilità nell'adozione di diverse ipotesi di modellazione e livelli di pericolosità sismica, evidenziando l'importanza dell'adozione di ipotesi di modellazione appropriate che dipendono dalle intensità di movimento del suolo.