Εξατομικευμένες καμπύλες σεισμικής τρωτότητας για γέφυρες με και χωρίς επεμβάσεις

Abstract

The main objective of the present thesis, titled “Structure-specific Fragility Curves for As- Built and Retrofitted Bridges”, is the development of a new methodology for the derivation of bridge-specific fragility curves, with a view to improving the reliability of loss assessment in road networks and prioritizing retrofit of the bridge stock. The key features of the proposed methodology (different approach according to the desired accuracy level) are the explicit definition of critical limit state thresholds for individual bridge components, with consideration of the effect of varying geometry, material properties, reinforcement and loading patterns on the component capacity; the methodology also includes the quantification of uncertainty in capacity, demand, and damage state definition. Advanced analysis methods and tools (nonlinear static analysis and incremental dynamic response history analysis) are used for bridge component capacity and demand estimation, while reduced sampling techniques are used for uncertainty treatment. Whereas uncertainty in both capacity and demand is estimated from nonlinear analysis of detailed inelastic models, in practical application to bridge stocks the demand is estimated through a standard response spectrum analysis of a simplified elastic model of the bridge. The simplified methodology can be efficiently applied to a large number of bridges (with different characteristics) within a road network, by means of an ad-hoc developed software involving the use of a generic (elastic) bridge model, that derives bridge-specific fragility curves. The backbone of the proposed methodology is the development of a database, including critical bridge components and a variety of geometric, material, reinforcement and loading patterns, in order to explicitly define the case-dependent component capacity and limit state thresholds. The inherent correlation of component properties and limit state thresholds is fully recognised; therefore empirical relationships for as-built and retrofitted components are proposed to quantify component capacity limits for different performance levels in terms of global engineering demand parameters (local to global damage correlation), considering different boundary conditions (pier-to-deck connection) and failure modes. Furthermore, component demand for different levels of earthquake intensity is calculated based on either a detailed inelastic or a simplified elastic model, and multiple stripe (enhanced IDA) or response spectrum analysis, respectively, according to the desired level of accuracy and computational cost (related to whether a single bridge or a bridge stock is addressed). Component fragility is then calculated and is used to estimate system fragility (entire bridge), assuming series connection between components. Finally, in the frame of the proposed methodology, the uncertainty in demand, component capacity, and limit state definition are explicitly defined for every component and limit state, while a total uncertainty value is also proposed for different bridge types. The approximate methodology is applied to a bridge stock, while the detailed methodology is applied to representative as-built and retrofitted bridges in order to compare fragility estimates and reveal the effectiveness of different retrofit measures.

Βασικό στόχο της παρούσας διατριβής με τίτλο «Εξατομικευμένες Καμπύλες Σεισμικής Τρωτότητας για Γέφυρες με και χωρίς Επεμβάσεις» αποτελεί η πρόταση μίας νέας μεθοδολογίας υπολογισμού εξατομικευμένων καμπυλών τρωτότητας γεφυρών με σκοπό την πλέον αξιόπιστη αποτίμηση της σεισμικής διακινδύνευσης οδικού δικτύου και εκτίμησης απωλειών, καθώς και την ανάδειξη προτεραιοτήτων ενίσχυσης μεταξύ των γεφυρών του οδικού δικτύου. Βασικό άξονα της προτεινόμενης μεθοδολογίας, η οποία διαφοροποιείται ανάλογα με την κλίμακα του προβλήματος (λεπτομερής και αδρομερής), αποτελεί ο προσδιορισμός τιμών κατωφλίων σταθμών βλάβης των επιμέρους συνιστωσών λαμβάνοντας υπόψη την επιρροή των επιμέρους διαφορετικών δομικών και γεωμετρικών χαρακτηριστικών στον υπολογισμό της διαθέσιμης αντίστασης, καθώς και η ποσοτικοποίηση των αβεβαιοτήτων στη διαθέσιμη αντίσταση, τη σεισμική απαίτηση και τον ορισμό των σταθμών βλάβης. Προηγμένα υπολογιστικά εργαλεία και μέθοδοι ανάλυσης χρησιμοποιούνται κατά την εφαρμογή της λεπτομερούς μεθόδου και την ποσοτικοποίηση των αβεβαιοτήτων, ενώ για τον προσδιορισμό αξιόπιστου στατιστικά δείγματος και τη διενέργεια αναλύσεων, εφαρμόζεται η στρωματοποιημένη μέθοδος δειγματοληψίας LHS. Για την εφαρμογή της μεθοδολογίας σε απόθεμα γεφυρών οδικού δικτύου, χρησιμοποιείται η αδρομερής προσέγγιση, κατά την οποία η σεισμική απαίτηση υπολογίζεται στα σημεία ελέγχου των κρίσιμων συνιστωσών με βάση το τρισδιάστατο απλοποιητικό προσομοίωμα και τα αποτελέσματα δυναμικής φασματικής ανάλυσης. Για το σκοπό αυτόν αναπτύσσεται λογισμικό, στο οποίο ενσωματώνεται όλη η διαδικασία υπολογισμού διαθέσιμης αντίστασης, σεισμικής απαίτησης, καθώς και οι σχετικές αβεβαιότητες για τον υπολογισμό εξατομικευμένων καμπυλών τρωτότητας. Για τον προσδιορισμό εξατομικευμένων τιμών κατωφλίων βλάβης, καταστρώνεται βάση δεδομένων κρίσιμων συνιστωσών θεωρώντας μεταβαλλόμενες παραμέτρους γεωμετρίας, ποιότητας υλικών, όπλισης και φόρτισης. Πραγματοποιούνται ανελαστικές αναλύσεις παραμετρικά ορισμένων συνιστωσών της βάσης δεδομένων και, με στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων, προσδιορίζονται οι εμπειρικές σχέσεις υπολογισμού τιμών κατωφλίων για όλες τις στάθμες βλάβης, αναγνωρίζοντας τη συσχέτιση κρίσιμων για την αντισεισμική συμπεριφορά παραμέτρων και αναπτυσσόμενων βλαβών. Οι εμπειρικές σχέσεις υπολογισμού τιμών κατωφλίων προσδιορίζονται για βάθρα με και χωρίς ενισχύσεις, συσχετίζοντας την καθολική παράμετρο βλάβης (μετακίνηση σημείου ελέγχου) με τοπικές παραμέτρους βλάβης (καμπυλότητα κρίσιμης διατομής), ενώ λαμβάνονται υπόψη διαφορετικές πιθανές μορφές αστοχίας (καμπτική, διατμητική) καθώς και η επιρροή των διαφορετικών συνοριακών συνθηκών. Σε ό,τι αφορά στον υπολογισμό της σεισμικής απαίτησης για διάφορες στάθμες σεισμικής έντασης, χρησιμοποιείται η λεπτομερής ή αδρομερής μεθοδολογία ανάλογα με τον επιθυμητό βαθμό ακρίβειας, ήτοι η διενέργεια ανελαστικής (τροποποιημένης) δυναμικής μικροαυξητικής ανάλυσης στο πλήρες τρισδιάστατο αριθμητικό προσομοίωμα ή ελαστικής δυναμικής φασματικής ανάλυσης στο αδρομερές τρισδιάστατο αριθμητικό προσομοίωμα. Ο προσδιορισμός της σεισμικής τρωτότητας του συστήματος της γέφυρας, πραγματοποιείται θεωρώντας σύνδεση των επιμέρους κρίσιμων συνιστωσών σε σειρά. Με βάση τις επιμέρους αβεβαιότητες στη διαθέσιμη αντίσταση, τη σεισμική απαίτηση και ορισμό σταθμών βλάβης, υπολογίζεται ο συνολικός συντελεστής αβεβαιότητας (κοινός για γέφυρες της ίδιας κατηγορίας, σύμφωνα με τα αποτελέσματα ανάλυσης τυπικής γέφυρας της κατηγορίας). Τόσο η αδρομερής όσο και η λεπτομερής προτεινόμενη μέθοδος για τον υπολογισμό της σεισμικής απαίτησης εφαρμόζονται στο πλαίσιο σεισμικής αποτίμησης αποθέματος γεφυρών οδικού δικτύου και μεμονωμένων γεφυρών, αντίστοιχα, ενώ πραγματοποιείται και σύγκριση των αποτελεσμάτων σεισμικής τρωτότητας που προκύπτουν. Στο πλαίσιο της διατριβής, η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόζεται σε υφιστάμενες αλλά και σε ενισχυμένες (με διαφορετικές μεθόδους) γέφυρες, με στόχο την ανάδειξη της αποτελεσματικότητας της εκάστοτε μεθόδου ενίσχυσης μέσω της επιρροής της στη σεισμική τρωτότητα για διάφορες στάθμες βλάβης.