Life-Cycle Seismic Risk Assessment of Bridge Networks Using Physics-Based Ground Shaking Scenarios

The seismic risk assessment of transportation systems and bridge networks located near active faults presents significant challenges. These challenges include estimating seismic hazard scenarios on a regional scale due to the absence of reliable models for predicting near-source ground shaking, and addressing the complexities of a systemic and life-cycle approach for infrastructure systems, which necessitates a comprehensive evaluation of interdependencies and aging effects over time. Near-source ground motions can exhibit significantly different features compared to those recorded at large distances, resulting in pulse-type waveforms at sites near the rupture wavefront and, overall, highly anisotropic and non-stationary spatial fields of ground motion intensities. Traditional empirical ground motion models often fail to predict the near-source ground shaking due to their inability to account for these unique characteristics of ground motions close to an earthquake source. Conversely, validated physics-based numerical simulations can generate ground motion site-specific time histories and shaking fields that are consistent with a 3D model of the seismic source process, the propagation path, and the local site response in complex geological contexts. The primary objective of this thesis is to evaluate the seismic risk of the bridge network subject to near-source shaking scenarios produced through the 3D physics-based numerical approach with the application to a realistic case study in Thessaloniki, Northern Greece. The seismic risk assessment is conducted within a systemic and life-cycle framework, taking into account the complex intra-dependencies of network components and the deterioration processes that impair the seismic capacity of vulnerable network components over time. The study investigates the sensitivity of risk metrics to various shaking scenarios to identify the near-source factors of earthquakes with the potential to cause major damage, which most significantly impact lifeline performance.

La valutazione del rischio sismico dei sistemi di trasporto e delle reti di ponti situati in prossimità di faglie attive presenta sfide significative. Queste sfide includono la stima degli scenari di pericolosità sismica su scala regionale a causa dell’assenza di modelli affidabili per prevedere lo scuotimento del terreno vicino alla sorgente e l’affrontare le complessità di un approccio sistemico e del ciclo di vita per i sistemi infrastrutturali, che richiede una valutazione completa delle interdipendenze e effetti dell’invecchiamento nel tempo. I movimenti del suolo vicino alla sorgente possono mostrare caratteristiche significativamente diverse rispetto a quelli registrati a grandi distanze, risultando in forme d’onda di tipo impulsivo in siti vicini al fronte d’onda di rottura e, nel complesso, campi spaziali altamente anisotropi e non stazionari di intensità del movimento del suolo. I tradizionali modelli empirici del movimento del suolo spesso non riescono a prevedere lo scuotimento del terreno vicino alla sorgente a causa della loro incapacità di tenere conto di queste caratteristiche uniche dei movimenti del suolo vicino alla sorgente del terremoto. Al contrario, simulazioni numeriche validate basate sulla fisica possono generare storie temporali sito-specifiche del moto del suolo e campi di scuotimento coerenti con un modello 3D del processo della sorgente sismica, del percorso di propagazione e della risposta del sito locale in contesti geologici complessi. L'obiettivo principale di questa tesi è valutare il rischio sismico della rete di ponti soggetta a scenari di scuotimento vicini alla sorgente prodotti attraverso l'approccio numerico basato sulla fisica 3D con l'applicazione a un caso di studio realistico a Salonicco, nel nord della Grecia. La valutazione del rischio sismico viene condotta in un quadro sistemico e del ciclo di vita, tenendo conto delle complesse interdipendenze dei componenti della rete e dei processi di deterioramento che compromettono nel tempo la capacità sismica dei componenti vulnerabili della rete. Lo studio indaga la sensibilità dei parametri di rischio a vari scenari di scuotimento per identificare i fattori vicini alla fonte dei terremoti che potrebbero causare danni gravi, che incidono in modo più significativo sulle prestazioni delle linee di vita.