An improved procedure for the seismic fragility analysis of existing bridges and implementation within a comprehensive probabilistic framework for the risk assessment

The safety of infrastructural systems is of paramount importance since high socio-economic impacts on the society would be expected in case of disruptions or people life could be seriously endangered in case of severe damages or collapses. The analysis of the vulnerability of bridges is classically carried out through the adoption of fragility curves, which express the probability of exceedance of a certain performance level conditional to a certain level of hazard intensity. However, it is common practice to use fragility curves to only provide a global overview of the bridge vulnerability, with scarce attention to the damage extension or the evolution of different failure mechanisms that may potentially verify within the structure. Indeed, it is worth noting that bridges may show different damage mechanisms, occurring in one or multiple structural components, that differently contribute to the overall fragility of the system and potentially lead to different post-disaster scenarios. In light of this drawback and considering also that an optimal, comprehensive and robust probabilistic framework for the risk assessment is not yet available, the present Thesis aims to provide some insights and original contributions for a state-of-the-art enrichment in the field of the safety of infrastructural systems. Advancements are indeed made on the following main subjects: fragility curves, with an innovative approach for a proper estimation of the bridge vulnerability, based on both a quantitative and qualitative assessment of failure mechanisms that may occur during a seismic event; analysis of Soil-Structure Interaction (SSI) effects through simple formulas estimating the behaviour of pile foundations (a common choice in case of bridge structures) and easy to be implemented for a reliable fragility and risk analysis; proposal of a holistic framework for the risk assessment and the quantification of consequences of a hazardous event in monetary terms, taking into account aspects such as SSI, degradation and maintenance; analysis of the effects of uncertainties affecting the combined pile-soil system for the probabilistic characterization of impedance functions and kinematic response factors of deep foundations in homogeneous soils. The Italian transport system is chosen as scenario for the applications of the present Thesis, since it is particularly emblematic due to the high vulnerability and the important critical issues presented by the existing road networks. Two different bridge typologies are considered: Reinforced Concrete Link Slab bridges and Steel-Concrete Composite bridges. Being very widespread, such typologies result representative of most of the bridges and viaducts present over the Italian territory, and examples can also be found in the international panorama. The choice of significative case studies allows to prove the potentialities of the proposed fragility estimation methodology and the relevance of the SSI problem in the bridge vulnerability assessment as well as to characterise the vulnerability of the Italian infrastructures with a higher level of detail, including degradation and SSI phenomena. Moreover, the choice of structural configurations is suitable for the characterization of a regional scenario, such as the one of Marche region. Then, fragility results are applied at road network level for the quantification of the impact of post-earthquake scenarios in economic terms throughout the proposed probabilistic framework. Finally, as part of the framework, a novel probabilistic characterization of the response of deep foundations in homogeneous soil is provided to evaluate effects of uncertainties in the embedded system. Although presented for the seismic problem and within the Italian context, the proposed methodologies are flexible enough to be easily extended to further applications involving other road network scenarios (and bridge typologies) and different natural hazards.

La sicurezza dei sistemi infrastrutturali è di fondamentale importanza per la società. Malfunzionamenti, danni o crolli possono avere notevoli impatti socioeconomici e ripercussioni sulla sicurezza pubblica. Secondo l’approccio classico, l'analisi della vulnerabilità dei ponti viene condotta attraverso l'adozione di curve di fragilità, che esprimono la probabilità di superamento di un certo livello di prestazione condizionata ad un determinato livello di intensità della fonte di pericolo. Tuttavia, è pratica comune utilizzare le curve di fragilità per fornire solo una panoramica globale della vulnerabilità del ponte, con scarsa attenzione all'estensione del danno o all'evoluzione dei diversi meccanismi che possono verificarsi all'interno della struttura. Infatti, vale la pena notare che i ponti possono mostrare diversi meccanismi di danno; in base a quali e quanti componenti strutturali sono coinvolti, essi contribuiscono in modo diverso alla fragilità complessiva del sistema e potenzialmente portano a diversi scenari post-disastro. Considerando quindi che ad oggi non è ancora disponibile un framework probabilistico completo e robusto per la valutazione del rischio, la presente Tesi fornisce alcuni contributi originali per un arricchimento dello stato dell’arte nel campo della sicurezza dei sistemi infrastrutturali. I principali obiettivi perseguiti nella Tesi sono i seguenti: sviluppo di un approccio innovativo per la descrizione e quantificazione probabilistica del danno sismico atteso sui ponti esistenti; analisi degli effetti dell’interazione terreno-struttura attraverso la proposta di formulazioni semplificate per la stima del comportamento di fondazioni su pali (comuni per le strutture da ponte) e di facile implementazione per un’ analisi affidabile della fragilità e del rischio; proposta di un framework omnicomprensivo per la valutazione del rischio e la quantificazione delle conseguenze di eventi sismici in termini economici, tenendo conto di aspetti quali l’interazione terreno-struttura, il degrado e gli interventi manutentivi; analisi degli effetti delle incertezze che interessano il sistema pali-terreno per la caratterizzazione probabilistica delle funzioni di impedenza e dei fattori di risposta cinematica di fondazioni profonde in sottosuoli omogenei. Il sistema trasportistico italiano è stato scelto per le applicazioni della presente Tesi, in quanto emblematico per l'elevata vulnerabilità e le importanti criticità presentate dalle reti stradali esistenti. Si considerano due diverse tipologie di ponti: catena cinematica in calcestruzzo armato e sezione composta acciaio-calcestruzzo. Tali tipologie risultano rappresentative della maggior parte dei ponti e viadotti presenti sul territorio italiano, ed esempi si possono trovare anche nel panorama internazionale. La scelta di casi studio significativi consente di mostrare le potenzialità delle metodologie proposte e la rilevanza del problema di interazione terreno-struttura nella valutazione della vulnerabilità, nonché di caratterizzare la vulnerabilità delle infrastrutture italiane con un livello di dettaglio più elevato, includendo fenomeni di degrado e interazione, il tutto all’interno di un approccio probabilistico. Inoltre, la scelta delle configurazioni strutturali risulta adatta per la caratterizzazione di uno scenario regionale, come quello marchigiano. I risultati dello studio di fragilità vengono quindi applicati a livello di rete stradale per la quantificazione dell'impatto degli scenari post-terremoto in termini economici. Sebbene presentate per il problema sismico e nel contesto italiano, le metodologie proposte sono abbastanza flessibili da essere facilmente applicate ad ulteriori scenari infrastrutturali (ed altre tipologie di ponti) e a diverse fonti di pericolo (frane, alluvioni, ecc.).