The research project, which focuses on the assessment of seismic vulnerability and structural rehabilitation of existing bridges, is framed within the joint project between Politecnico di Milano and Regione Lombardia pursuing the development of guidelines for the management and maintenance of road infrastructures. Assessment of seismic vulnerability and rehabilitation of existing structures has been gaining interest in the recent years for their impact on the socio-economic system. These topics have been widely deepened for buildings, leading to the formulation of well-established strategies that have been endorsed into design codes, but have been less developed for road infrastructures, for which dedicated guidance is missing. In the introduction of the thesis, the state of the art on two macro topics is illustrated: the assessment of the seismic vulnerability of bridges and the principles of seismic isolation applied to bridges and relevant hardware. These two topics are contextualized within the most updated state of art and the relevant national and international regulatory frameworks. Next, approaches for bridge modelling are presented and assessed. The comparison will include three approaches characterized by decreasing levels of complexity and accuracy: first, nonlinear dynamic analysis, which will be taken as the benchmark; second, nonlinear static analysis; third, simplified linear models. The assessment will be developed considering three prototype bridges, paradigmatic of current existing bridges for static scheme (simply supported or continuous deck) material of the piers (reinforced concrete), and geometry of the piers (rigid or slender piers). The core of the thesis is focused on the development of a simplified procedure for the design of the bridge retrofit with seismic isolators. First, an approach to evaluate the suitability of existing bridges characterized by a static scheme of either simple support or continuous deck is proposed. After, a parametric analysis is performed to identify boundary conditions for the effective application of seismic isolation. In the second step, the capacity spectrum approach is used to evaluate the stiffness and damping that must be provided by the isolation system to attain a specified level of performance of the retrofitted structure. In this approach, target acceleration and displacement demands are defined for the piers and the isolation system when the bridge is subjected to the design earthquake. Then, a “substitute” SDOF model is defined and used to replace the multi-degree of freedom (MDOF) structure. The substitute SDOF model consists of an equivalent linear system, characterized by an effective (secant) stiffness and an effective dissipation, represented through an equivalent damping ratio. The procedure is then applied to the three prototype bridges already introduced and a parametric study is performed to highlight the effect of the bridge features on the properties of the isolation system. Subsequently, case studies taken from the stock of bridges of Regione Lombardia are used for calibration and validation of the proposed approaches. The analyses provide a practical example of the application of the method.
Il progetto di ricerca, incentrato sulla valutazione della vulnerabilità sismica e sulla riabilitazione strutturale dei ponti esistenti, si inquadra nell'ambito del progetto congiunto tra Politecnico di Milano e Regione Lombardia che persegue lo sviluppo di linee guida per la gestione e la manutenzione delle infrastrutture stradali. La valutazione della vulnerabilità sismica e la riabilitazione delle strutture esistenti hanno acquisito interesse negli ultimi anni per il loro impatto sul sistema socio-economico. Questi temi sono stati ampiamente approfonditi per gli edifici, portando alla formulazione di strategie consolidate che sono state recepite nei codici di progettazione, ma sono stati meno sviluppati per le infrastrutture stradali, per le quali mancano indicazioni dedicate. Nell'introduzione della tesi, viene illustrato lo stato dell'arte su due macro argomenti: la valutazione della vulnerabilità sismica dei ponti e i principi di isolamento sismico applicati ai ponti e i relativi dispositivi. Questi due argomenti sono contestualizzati all'interno dello stato dell'arte più aggiornato e dei quadri normativi nazionali e internazionali di riferimento. Successivamente, vengono presentati e valutati gli approcci per la modellazione dei ponti. Il confronto includerà tre approcci caratterizzati da livelli decrescenti di complessità e accuratezza: primo, l'analisi dinamica non lineare, che sarà presa come benchmark; secondo, l'analisi statica non lineare; terzo, i modelli lineari semplificati. La valutazione sarà sviluppata considerando tre ponti prototipo, paradigmatici degli attuali ponti esistenti per schema statico (impalcato semplicemente appoggiato o continuo) materiale delle pile (cemento armato) e geometria delle pile (pile rigide o snelle). Il nucleo della tesi è incentrato sullo sviluppo di una procedura semplificata per la progettazione del retrofit dei ponti con isolatori sismici. In primo luogo, viene proposto un approccio per valutare l'idoneità dei ponti esistenti caratterizzati da uno schema statico di semplice appoggio o di impalcato continuo. Successivamente, viene eseguita un'analisi parametrica per identificare le condizioni limite per l'applicazione efficace dell'isolamento sismico. Nella seconda fase, si utilizza l'approccio dello spettro di capacità per valutare la rigidezza e lo smorzamento che devono essere forniti dal sistema di isolamento per raggiungere un determinato livello di prestazioni della struttura riadattata. In questo approccio, si definiscono le richieste di accelerazione e spostamento target per le pile e il sistema di isolamento quando il ponte è soggetto al terremoto di progetto. Quindi, si definisce un modello SDOF “sostitutivo” da utilizzare per sostituire la struttura a più gradi di libertà (MDOF). Il modello SDOF sostitutivo consiste in un sistema lineare equivalente, caratterizzato da una rigidezza effettiva (secante) e da una dissipazione effettiva, rappresentata da un rapporto di smorzamento equivalente. La procedura viene quindi applicata ai tre ponti prototipo già introdotti e viene eseguito uno studio parametrico per evidenziare l'effetto delle caratteristiche del ponte sulle proprietà del sistema di isolamento. Successivamente, per la calibrazione e la validazione degli approcci proposti vengono utilizzati casi di studio tratti dal patrimonio di ponti della Regione Lombardia. Le analisi forniscono un esempio pratico dell'applicazione del metodo.
Strategies for the rehabilitation of existing bridges by seismic isolation
PETTORRUSO, CARLO
2023/2024
Abstract
The research project, which focuses on the assessment of seismic vulnerability and structural rehabilitation of existing bridges, is framed within the joint project between Politecnico di Milano and Regione Lombardia pursuing the development of guidelines for the management and maintenance of road infrastructures. Assessment of seismic vulnerability and rehabilitation of existing structures has been gaining interest in the recent years for their impact on the socio-economic system. These topics have been widely deepened for buildings, leading to the formulation of well-established strategies that have been endorsed into design codes, but have been less developed for road infrastructures, for which dedicated guidance is missing. In the introduction of the thesis, the state of the art on two macro topics is illustrated: the assessment of the seismic vulnerability of bridges and the principles of seismic isolation applied to bridges and relevant hardware. These two topics are contextualized within the most updated state of art and the relevant national and international regulatory frameworks. Next, approaches for bridge modelling are presented and assessed. The comparison will include three approaches characterized by decreasing levels of complexity and accuracy: first, nonlinear dynamic analysis, which will be taken as the benchmark; second, nonlinear static analysis; third, simplified linear models. The assessment will be developed considering three prototype bridges, paradigmatic of current existing bridges for static scheme (simply supported or continuous deck) material of the piers (reinforced concrete), and geometry of the piers (rigid or slender piers). The core of the thesis is focused on the development of a simplified procedure for the design of the bridge retrofit with seismic isolators. First, an approach to evaluate the suitability of existing bridges characterized by a static scheme of either simple support or continuous deck is proposed. After, a parametric analysis is performed to identify boundary conditions for the effective application of seismic isolation. In the second step, the capacity spectrum approach is used to evaluate the stiffness and damping that must be provided by the isolation system to attain a specified level of performance of the retrofitted structure. In this approach, target acceleration and displacement demands are defined for the piers and the isolation system when the bridge is subjected to the design earthquake. Then, a “substitute” SDOF model is defined and used to replace the multi-degree of freedom (MDOF) structure. The substitute SDOF model consists of an equivalent linear system, characterized by an effective (secant) stiffness and an effective dissipation, represented through an equivalent damping ratio. The procedure is then applied to the three prototype bridges already introduced and a parametric study is performed to highlight the effect of the bridge features on the properties of the isolation system. Subsequently, case studies taken from the stock of bridges of Regione Lombardia are used for calibration and validation of the proposed approaches. The analyses provide a practical example of the application of the method.File | Dimensione | Formato | |
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