Seismic performance of bridges during Canterbury earthquakes

On February 22nd, 2011 a M6.3 Earthquake occurred with an epicentre near the town of Lyttelton, 10 km South of the Christchurch CBD. Compared with the 2010 Darfield Earthquake, despite the magnitude was lower and the localized effects induced by this earthquake were similar, PGA ranged between 0.5 and 2.2g, reaching therefore values much higher than the level adopted in the design of NZ road highway bridges. After the event, the bridges were inspected by the network consultants and researchers to establish safety conditions and repairs that were required to enable traffic flow and to document damage. A summary of observations from the field is herein proposed, highlighting the main damage typologies shown by the bridges with respect to each structural component. The observations made in the visual inspections were biased towards a subset of bridges which the Bridge Group knew were damaged. To avoid this bias a complete database is put together of all 223 bridges within the Christchurch area. The database compiles information to identify, locate and describe each bridge and the severity and type of damage that occurred on or at the bridge site. A statistical analysis is done using the database, to describe the city bridges, to quantify the overall damage, and to analyse trends leading to the damage of bridges. A comparison between the field observation and the results of impact assessment obtained using the Earthquake Loss Estimation (ELE) tool MAEviz. The second part of the work aims to focus on the seismic performance of three concrete bridges: two highways, Port Hills and Horotane Valley Overpass, and one road bridge, Moorhouse Avenue Overbridge. The assessment involves site investigations and numerical modelling: static push-over analysis is used to determine the displacement capacity, which is compared then with the demand obtained from the registered spectra. Then time-history analyses are performed using accelerograms from the nearest ground motion record stations. To properly capture the seismic performance of the bridges, shear and axial bending interaction for the piers and soil structure interaction, resulting in slope failure, are considered.

Il 22 Febbraio 2011 la regione di Canterbury in Nuova Zelanda è stata colpita da un terremoto di magnitudo 6.3 con epicentro in Lyttelton, 10 km a sud di Christchurch. Facendo un confronto con il precedente terremoto di Darfield, nonostante l’intensità dell’ultimo evento fosse minore e gli effetti localizzati derivanti molto simili, le accelerazioni registrate hanno raggiunto valori compresi tra 0.5 e 2.2g, molto più elevati rispetto ai livelli previsti dalla normativa neozelandese per i ponti. A seguito dell’evento, ispezioni sui ponti sono state condotte da autorità e ricercatori al fine di ripristinare le condizioni di sicurezza, stabilendo gli interventi necessari per la riapertura del traffico, nonché per documentare il livello di danno. Il lavoro si apre con una panoramica dei danni osservati durante queste ispezioni, classificandoli in base ai componenti strutturali colpiti. Una visione globale della situazione viene ottenuta grazie all’utilizzo del database dell’Università di Canterbury aggiornato dopo il 22 febbraio con le informazioni sui danni di 223 ponti nell’area di Christchurch. Questo ha permesso la redazione di un’analisi statistica per individuare sia le varie tipologie di ponti, ma soprattutto il livello di danno. I risultati sono quindi stati confrontati con quelli ottenuti con l’uso del software MAEviz ideato per la valutazione del rischio a seguito di eventi soprannaturali. La seconda parte del lavoro si concentra sul comportamento sismico di tre ponti in c.a: due ponti autostradali, Port Hills e Horotane Valley, e un ponte stradale, Moorhouse Avenue. La valutazione comprende indagini sia visive che numeriche: la capacità in spostamento ottenuta dalle analisi statiche push-over viene confrontata con la “domanda” visibile negli spettri di risposta. L’effettiva performance dei ponti viene infine valutata con analisi non lineari time history, usando gli accelerogrammi registrati nelle stazioni più vicine. L’interazioni tra il momento e il taglio o l’azione assiale e più in generale tra suolo e struttura in termini di “slope failure” sono considerate per captare al meglio la risposta della struttura.