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19
Italian Journal of Engineering Geology and Environment, Special Issue 1 (2011)
© Casa Editrice Università La Sapienza
www.ijege.uniroma1.it
DOI: 10.4408/IJEGE.2011-01.S-02
A
NTONIO
CASTORANI
(*)
,
A
NTONIO
R
OSARIO
DI SANTO
(*)
,
U
MBERTO
FRATINO
(*)
,
R
OBERTO
LIMONGELLI
(**)
,
M
AURO
MEZZINA
(***)
, A
LESSANDRO
PAGANO
(***)
,
D
OMENICO
RAFFAELE
(***)
& I
SABELLA
TRULLI
(**)
(*)
Autorità di Bacino della Puglia - Politecnico di Bari - Bari, Italy - e-mail: u.fratino@poliba.it
(**)
Autorità di Bacino della Puglia - Valenzano, Bari, Italy - e-mail: roberto.limongelli@adb.puglia.it - isabella.trulli@adb.puglia.it
(***)
Politecnico di Bari - Bari, Italy - e-mail: a.pagano@poliba.it
APPROCCIO METODOLOGICO PER LA VALUTAZIONE
DEL RISCHIO MULTIHAZARD SU PONTI E VIADOTTI
METHODOLOGICAL APPROACH TO EVALUATE
MULTIHAZARD RISK ON BRIDGES AND VIADUCTS
ABSTRACT
In accordo con la consueta defi nizione, il rischio è dato dalla com-
binazione di Pericolosità, Esposizione e Vulnerabilità, e rappresenta
il livello di danno complessivo associato ad un particolare evento che
si può verifi care in una determinata area e con un prefi ssato tempo di
ritorno. Coerentemente con questa defi nizione, una “analisi di rischio
multihazard” è fondata su un approccio metodologico in grado di
combinare gli effetti di vari e differenti eventi naturali che si possono
verifi care sul territorio. Tale analisi ha lo scopo di orientare program-
mi tecnici e politici alla mitigazione del rischio, al fi ne di indirizzare
le risorse pubbliche laddove ci siano maggiori priorità. I ponti, in par-
ticolare, giocano un ruolo prioritario nello sviluppo e nell’applicazio-
ne di questo tipo di analisi, in quanto palesano elevata vulnerabilità
rispetto a grandi eventi naturali, come alluvioni e terremoti.
In questo lavoro sono presentati i risultati di un’analisi multiha-
zard portata avanti considerando la combinazione di pericolosità si-
smica ed idraulica su ponti della Capitanata (FG). Tale lavoro è stato
sviluppato nell’ambito di un progetto di ricerca denominato “Studio
di Fattibilità per il Monitoraggio e la Messa in Sicurezza delle Aree
Urbane a Rischio di Stabilità Statica e Vulnerabilità Strutturale nella
Città e Provincia di Foggia”, condotto dall’Autorità di Bacino con la
collaborazione del Politecnico di Bari.
L’approccio proposto si basa sulla defi nizione di un indice sinte-
tico, denominato Indice di Priorità, che defi nisce il livello di rischio
complessivo associato all’opera. Esso sintetizza una serie di informa-
zioni legate alle principali caratteristiche strutturali, associate ad effetti
sismici ed idraulici locali, alla esposizione e alla funzionalità. L’Indice
di Danneggiabilità Sismica è strettamente connesso al comportamento
della struttura, e alla sua risposta alle azioni sismiche attese in una
determinata area. Si basa sul confronto tra l’accelerazione spettrale
rappresentativa dello spettro di progetto caratteristico del sito, con altri
due valori di accelerazione spettrale assunti pari a quelli defi niti come
valori medi delle funzioni di danno Hazus corrispondenti allo stato di
danno lieve e di collasso strutturale. L’Indice di Danneggiabilità Idrau-
lica fornisce una informazione quantitativa sul comportamento del
ponte nei confronti di eventi di piena, e dipende dalle caratteristiche
geometriche della sezione dell’opera, oltre che da parametri climatici
e geomorfologici propri del bacino sotteso. Esso confronta la portata
ABSTRACT
According to the usual defi nition, risk is a combination of Hazard,
Exposure and Vulnerability, representing the global damage amount
connected to a particular event that may occur in a given area in a pre-
fi xed return time. According to the previous defi nition, a “multihaz-
ard risk analysis” needs a methodological approach able to combine
in terms of effects several different natural events that may occur in
an area. This analysis has the purpose of defi ning political and techni-
cal programs for risk mitigation, so to address public resources where
priorities are high. Bridges play a primary role in the development
and application of such analysis, showing high vulnerability towards
great natural hazards such as fl oods and seismic actions.
In this paper the results of a multi hazard analysis carried out
taking into account seismic and hydraulic hazards on bridges in Capi-
tanata region (FG - Puglia Region, South Italy) are presented. This
work has been developed in a research project, named “Studio di Fat-
tibilità per il Monitoraggio e la Messa in Sicurezza delle Aree Urbane
a Rischio di Stabilità Statica e Vulnerabilità Strutturale nella Città e
Provincia di Foggia” managed by the Autorità di Bacino della Puglia
together with the Technical University of Bari.
The proposed approach is based on the defi nition of a synthetic
Index, named Priority Index, that simply defi nes the global risk level
associated. It summarizes several information connected to the main
structure properties, related to seismic and hydraulic local effects, to
the exposition and to the functionality. The Seismic Damage Index is
strictly connected to the structural behavior and its response to seis-
mic actions expected in the well defi ned area. It compares the spec-
tral acceleration representing the site design spectrum with two other
spectral acceleration values considered equivalent to Hazus median
damage function accelerations, corresponding to slight damage and
complete damage for the structure. The Hydraulic Damage Index fur-
nishes a quantitative information on the bridge behavior with respect
to fl oods, and it is dependent on geometrical characteristics of the
bridge cross section and on climatic and geomorphological proper-
ties of the river watershed. It compares the expected fl ow at a fi xed
return time with the maximum hydraulic capacity of the bridge cross
section. The Functionality Index is connected to the exposition of the
structure being not dependent from the specifi c hazard analyzed. It
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APPROCCIO METODOLOGICO PER LA VALUTAZIONE DEL RISCHIO MULTIHAZARD SU PONTI E VIADOTTI
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A. CASTORANI, A. R. DI SANTO, U. FRATINO, R. LIMONGELLI, M. MEZZINA, P. ALESSANDRO, D. RAFFAELE & I. TRULLI
summarizes information such as road class, expected traffi c levels
and bridge length to defi ne a sort of hierarchical classifi cation of the
investigated structures.
K
EY
WORDS
: bridges, viaducts, multihazard risk analysis, seismic vulnerability,
hydraulic vulnerability
INTRODUCTION
As a part of “ANTAEUS Project”, which is being developed at
ICAR department in Technical University of Bari and is based on an
agreement named “DIFESA DEL SUOLO” between Regione Puglia
and Autorità di Bacino della Puglia, an activity named “Studio di fat-
tibilità per il monitoraggio e la messa in sicurezza delle aree urbane
a rischio di stabilità statica e vulnerabilità strutturale della Provincia
di Foggia” is being carried on, fi nanced by state CIPE resources. The
activity described is a part of this program, concerning the collection
of data and the defi nition of a general knowledge on the actual risk
situation, due to different kinds of hazards potentially present in Fog-
gia region: it is strictly connected with the defi nition of guidelines to
get priority lists on roads in the same region.
Bridges and viaducts are generally considered fundamental ele-
ments in the development of vulnerability analysis of infrastructure
systems, especially because of their own vulnerability towards seis-
mic and hydraulic hazards. Simple multihazard models should be ab-
solutely useful to estimate this vulnerability in a combined way. In
the proposed model, functional and structural properties are defi ned
introducing three synthetic indexes, used to complete a fi rst level
analysis. Commonly, these assessment procedures, that are oriented
towards the evaluation of the safety of existing structures, are used to
verify if the structure responds to law technical requirements, con-
nected not only with safety in case of extreme events, but also with
structural behavior in terms of comfort and functionality. Sometimes,
especially when working on a wide area, the lack of time and of eco-
nomical resources determines the necessity of getting only a prelimi-
nary set of information (usually named “fi rst level”), that is often suf-
fi cient to express a complete evaluation of structural conditions: so it
is possible to distinguish immediately between situations of potential
risk and of structural and functional safety.
The relevance of the structure and its exposition is defi ned by the
Functionality Index, connected only to the properties of the structure
and being not dependent from the specifi c hazard analyzed: it de-
pends only on some aspects connected to the exposition (location and
kinds of activities served, traffi c level, etc…)
The evaluation of the seismic vulnerability is associated with the
defi nition of the Seismic Damage Index, which is strictly connected
with the structural behavior and its response to seismic actions ex-
pected in the defi ned area. Unit value is attributed to structures that
attesa con un prefi ssato tempo di ritorno, con la massima capacità di
defl usso attraverso la sezione dell’opera. L’Indice di Funzionalità è
legato all’esposizione dell’opera, indipendentemente dallo specifi co
hazard analizzato. Sintetizza informazioni quali classe della strada, li-
velli di traffi co atteso e lunghezza dell’opera, allo scopo di realizzare
una classifi cazione gerarchica tra le opere indagate.
T
ERMINI
CHIAVE
: ponti, viadotti, analisi di rischio multihazard, vulnerabilità
sismica, vulnerabilità idraulica
INTRODUZIONE
Nell’ambito del “Progetto ANTAEUS”, in fase di sviluppo presso
il Dipartimento ICAR del Politecnico di Bari e frutto dell’accordo di
programma quadro “DIFESA DEL SUOLO” fra la Regione Puglia
e l’Autorità di Bacino della Puglia, è in fase di completamento uno
“Studio di fattibilità per il monitoraggio e la messa in sicurezza delle
aree urbane a rischio di stabilità statica e vulnerabilità strutturale della
Provincia di Foggia”, fi nanziato con le risorse trasferite dallo Stato
con fondi CIPE. Il presente studio si colloca nella fase del suddetto
programma, che riguarda la predisposizione di un quadro conoscitivo
generale dello stato di rischio conseguente ai diversi tipi di pericolo-
sità presente nel territorio della Provincia di Foggia, ed è fi nalizzato
alla defi nizione di linee guida per ottenere liste di priorità relative alla
rete stradale della suddetta Provincia.
Nell’analisi di vulnerabilità delle reti infrastrutturali, grande ri-
levanza assumono i punti nodali costituiti da ponti e viadotti i quali,
in genere, risultano particolarmente vulnerabili rispetto sia ad hazard
di natura sismica che di natura idraulica. Allo scopo di stimare in
maniera congiunta tali vulnerabilità, è di grande utilità l’adozione
di modelli semplici di analisi multihazard. Nel modello proposto le
caratteristiche prestazionali e funzionali dell’opera vengono defi nite
attraverso tre indicatori fi nalizzati all’attuazione di un’analisi di pri-
mo livello. Le normali procedure di “assessment”, ovvero di valuta-
zione del livello di sicurezza delle strutture esistenti, sono fi nalizzate
a valutare se la costruzione possiede quelle caratteristiche necessarie
a soddisfare i requisiti fi ssati dalle Norme, che riguardano non solo
il controllo della sicurezza nei confronti di eventi limite, ma anche il
controllo delle capacità della struttura in riferimento a opportuni li-
velli di comfort e funzionalità. Talvolta, soprattutto operando su scala
territoriale ampia, la limitatezza delle risorse economiche e temporali
disponibili impone il ricorso anche solo ad un livello di conoscenza
preliminare (il suddetto “primo livello”), che sovente è suffi ciente a
garantire la possibilità di esprimere un giudizio “fi nale” sullo stato di
salute dell’opera: in tal modo è senza dubbio possibile individuare
in maniera immediata situazioni di pericolo imminente o viceversa
situazioni in cui il livello di funzionalità della struttura sia ottimale.
L’importanza del manufatto e la sua esposizione è individuata
tramite un Indice di Funzionalità, proprio dell’opera ed indipendente
dall’hazard considerato, funzione di una serie di fattori rappresentati-
vi dell’esposizione del manufatto (posizione ed attività servite, livello
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METHODOLOGICAL APPROACH TO EVALUATE MULTIHAZARD RISK ON BRIDGES AND VIADUCTS
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Italian Journal of Engineering Geology and Environment, Special Issue 1 (2011)
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di traffi co, tipo di ostacolo sovrapassato, ecc.).
La quantifi cazione della vulnerabilità sismica è affi data ad un
Indice di Danneggiabilità Sismica, rappresentativo degli elementi di
rischio connessi all’opera e alla pericolosità del sito in cui l’opera è
localizzata. Il valore unitario è convenzionalmente attribuito a quelle
opere che attingono le condizioni di collasso sotto azioni sismiche
con periodo di ritorno di 475 anni. A tale indice viene poi applicato
un adeguato coeffi ciente di correzione funzione dello stato di con-
servazione dell’opera, valutato sulla base della sola ispezione visiva.
La vulnerabilità idraulica è invece sintetizzata nell’Indice di
Danneggiabilità Idraulica, parametro signifi cativo della capacità di
defl usso della sezione in cui è localizzato l’attraversamento e delle
caratteristiche pluviometriche e geomorfologiche del bacino imbri-
fero contribuente; a tale indice si attribuisce il valore unitario in cor-
rispondenza del pieno impegno della sezione idraulica a seguito di
eventi di prefi ssato tempo di ritorno (200 anni).
I tre valori suddetti, opportunamente pesati con l’intento di dare
adeguata importanza ai diversi componenti di rischio, concorrono alla
defi nizione dell’Indice di Priorità, che permette di individuare quali
opere siano più distanti dalla condizione di “non rischio” ovvero quali
necessitino, in maniera prioritaria, di interventi di riduzione della vul-
nerabilità. La procedura è completata con una effi cace rappresentazione
grafi ca in uno “Spazio di Priorità” in cui è possibile individuare imme-
diatamente, nell’ambito di una determinata rete, le opere più esposte,
nonché il tipo di hazard cui ascrivere tale maggiore esposizione.
INDICE DI DANNEGGIABILITÀ SISMICA
L’Indice di Danneggiabilità Sismica, rappresentativo degli ele-
menti di rischio connessi alla vulnerabilità intrinseca del ponte ed
alla pericolosità sismica del sito in cui l’opera è localizzata, è defi nito
dalla seguente espressione:
In (1) S
a
rappresenta un indicatore di accelerazione spettrale le-
gato allo spettro di progetto caratteristico del sito in cui l’opera sor-
ge, mentre A
y
e A
u
rappresentano le accelerazioni spettrali correlate a
due particolari spettri di domanda che convenzionalmente si assume
facciano raggiungere alla struttura deformazioni tali da condurla ri-
spettivamente al limite elastico e al limite ultimo. Le accelerazioni di
riferimento A
y
e A
u
vengono, in questa procedura, fatte coincidere con
le accelerazioni medie delle funzioni di danno Hazus (F
EMA
, 2003)
corrispondenti allo stato di danno lieve e di collasso completo relati-
vo alle varie tipologie strutturali, adeguatamente modifi cate mediante
l’utilizzo di opportuni coeffi cienti correttivi (F
EMA
, 2003; W
EN
-I L
IAO
& C
HING
-H
SIUNG
L
OH
, 2004). La valutazione di tale indice, diffusa-
mente analizzata in (M
EZZINA
& R
AFFAELE
, 2007), è sintetizzata nelle
tabelle 1 e 2, dove l’indicatore S
a
(1.0 sec)
rappresenta il valore spettrale in
corrispondenza del periodo T=1.0 sec letto sullo spettro elastico rela-
tivo ad evento con periodo di ritorno di 475 anni. I coeffi cienti corret-
are expected to reach collapse as a consequence of seismic actions
with a return period of 475 years. This index is modifi ed consider-
ing a particular coeffi cient, defi ned according to the actual structural
condition, as detected during a simple inspection.
Hydraulic vulnerability is described by an Hydraulic Damage In-
dex, representative of the fl ow capacity of the section in which the
bridge is located, and depending on geomorphological and pluvio-
metric characteristics of the river watershed; this index has unit value
when a complete fi lling of the section is reached, as a consequence of
fl oods with 200 years of return period.
These three indexes, wisely weighted to give the desired impor-
tance to the different hazards considered, contribute to defi ne a Pri-
ority Index, that is used to determine if bridges are to be considered
“safe” or if they need urgently structural interventions to reduce
vulnerability. The operative method described could be also com-
pleted by means of a graphical representation in a “Priority Space”,
in which it is possible to detect immediately which are the most
vulnerable and exposed structures, and the most important hazard
that should affect them.
SEISMIC DAMAGE INDEX
Seismic Damage Index, which is strictly connected with factors
associated to intrinsic structural vulnerability and local seismic dan-
ger, is defi ned as follows:
In expression (1), S
a
is connected with the spectral acceleration
corresponding to the site design spectrum, while A
y
and A
u
represent
spectral accelerations connected with two specifi c demand spec-
trums, that are considered associated with the reaching of “elastic”
strain and “collapse” strain. These accelerations are here considered
coincident with mean accelerations of damage functions defi ned by
Hazus (F
EMA
, 2003) and associated with slight and complete dam-
age conditions for signifi cant kinds of structures, and corrected with
specifi c coeffi cients (F
EMA
, 2003; W
EN
-I L
IAO
& C
HING
-H
SIUNG
L
OH
,
2004). The evaluation of this index, analyzed with more details in
(M
EZZINA
& R
AFFAELE
, 2007), is summarized in tables 1 and 2, in
which S
a
(1.0 sec)
represents the spectral acceleration corresponding to
a period T=1.0 sec, considered on the elastic spectrum associated to
an event with return period of 475 years. The corrective coeffi cients
depend, as synthetically described in the following tables, on some
particular structural properties, connected with the specifi c kind of
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APPROCCIO METODOLOGICO PER LA VALUTAZIONE DEL RISCHIO MULTIHAZARD SU PONTI E VIADOTTI
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A. CASTORANI, A. R. DI SANTO, U. FRATINO, R. LIMONGELLI, M. MEZZINA, P. ALESSANDRO, D. RAFFAELE & I. TRULLI
tivi adoperati dipendono, come si evince sinteticamente dalle tabelle
di seguito riportate, da alcune caratteristiche strutturali signifi cative
dell’opera, essenzialmente legate alla tipologia della sovrastruttura, e
alle caratteristiche progettuali e realizzative di pile e spalle.
Nella stima di ID
Sismica
, se risulta S
a
> A
u
al suddetto indice verrà as-
segnato il valore unitario; negli altri casi risulterà invece 0≤ ID
Sismica
≤1,
con i valori più alti relativi a manufatti caratterizzati da condizioni tecni-
che più scadenti ai fi ni della sicurezza nei confronti del rischio sismico.
L’Indice di Danneggiabilità Sismica, così come fi n qui defi nito,
prescinde dalla valutazione dello stato di conservazione dell’opera,
che può condizionare fortemente la risposta strutturale della stessa.
Questo aspetto può essere tenuto in considerazione applicando all’In-
dice di Danneggiabilità un adeguato fattore di correzione α
D
, defi nito
come:
Formalmente il parametro CR (“Condition Rating”) nella (2)
viene determinato, a seguito di valutazioni puramente visive, indivi-
duando il rapporto tra la somma effettiva dei valori di danno/degrado
osservati durante l’ispezione e la somma dei valori di riferimento di
danno/degrado che possono potenzialmente riscontrarsi sulla struttu-
ra, presi tutti con il loro valore massimo. La stima di tale parametro
si effettua secondo una procedura descritta da (G
RECO
& R
AFFAELE
,
2008).
superstructure, and design aspects of piers and abutments.
When appraising ID
Sismica
, if S
a
> A
u
, unit value is assigned to
the index; otherwise, considering 0≤ ID
Sismica
≤1, higher values refer
to structures characterized by worse technical properties, as far as
seismic safety is concerned.
The Seismic Damage Index, as defi ned above, results independ-
ent from the assessment of actual conditions of the structure. This
aspect should be taken into account, applying to the same index a
corrective factor α
D
, defi ned as follows:
The parameter CR (“Condition Rating”) is calculated in expres-
sion (2), as a consequence of simple fi eld visual inspections, deter-
mining the ratio between the complete amount of damage/degra-
dation values detected during the inspection and the amount of all
possible damage/degradation values potentially present on the struc-
ture and considered with their maximum value. The estimate of the
parameter is developed according to a procedure described in (G
RECO
& R
AFFAELE
, 2008).
Tab. 1 - Funzioni di danno utilizzate nella metodologia
- Damage functions adopted in the method
Tab. 2 - Parametri utilizzati nella defi nizione dell’Indice di Danneggiabilità Sismica
- Parameters used to defi ne the Seismic Damage Index
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Italian Journal of Engineering Geology and Environment, Special Issue 1 (2011)
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Per ogni danno/degrado si tiene conto del suo impatto nei con-
fronti degli effetti sulla durabilità e sicurezza complessiva dell’opera
o dell’elemento strutturale interessato, dell’impatto del singolo ele-
mento sulla stabilità complessiva dell’opera, dell’intensità del danno
e della sua estensione.
Si può quindi defi nire un Indice di Danneggiabilità sismica ade-
guatamente corretto per tener conto dell’effettivo stato di conserva-
zione dell’opera:
Il parametro CR (G
RECO
& R
AFFAELE
, 2008) assume valori com-
presi fra 0.05 e 0.5; corrispondentemente il fattore di correzione αD
può variare da 1.05 a 2.00 passando da una condizione in cui risultano
sostanzialmente assenti difetti strutturali, ad una situazione di criticità
elevata in termini di danno/degrado.
INDICE DI DANNEGGIABILITÀ IDRAULICA
L’obiettivo perseguito nell’ambito dello svolgimento di un’ana-
lisi multihazard, è stato quello di affi ancare all’esistente Indice di
Danneggiabilità Sismica un semplice criterio per la stima della vul-
nerabilità idraulica degli attraversamenti, mediante il quale caratteriz-
zare e confrontare opere, defi nire rapidamente situazioni di criticità
meritevoli di un maggiore approfondimento analitico e di una mo-
dellazione più rigorosa, individuare priorità di intervento. Tale scopo
è stato raggiunto attraverso l’utilizzo di un modello semplifi cato di
validità generale, costruito in riferimento alle grandezze idrauliche
e strutturali ritenute maggiormente rilevanti nei fenomeni di interes-
se, e ricalcando formalmente il modello proposto in ambito sismico.
In prima battuta, la vulnerabilità idraulica di un ponte è considerata
unicamente dipendente dalla possibilità di defl usso di portate di piena
attraverso la luce libera dell’opera, rimandando a livelli successivi
di analisi la valutazione di problematiche più complesse quali i fe-
nomeni di erosione e trasporto solido, o l’analisi delle sollecitazioni
strutturali nel corso di una piena.
L’indice di Danneggiabilità Idraulica, rappresentativo degli ele-
menti di rischio connessi alla vulnerabilità intrinseca del ponte, alla
pericolosità idraulica del sito in cui l’opera è localizzata, ed alle ca-
ratteristiche del bacino imbrifero di riferimento, è defi nito dalla se-
guente espressione:
Il parametro Q
200
rappresenta un valore di portata che può defl uire
nella sezione dell’opera con tempo di ritorno pari a 200 anni. Q
max
e Q
min
defi niscono due valori di portata di riferimento caratteristici
dell’opera, pari rispettivamente alla portata che può transitare determi-
nando il riempimento totale fi no all’intradosso dell’impalcato e a quel-
la che può defl uire considerando un franco pari ad un metro (coeren-
temente con le condizioni di sicurezza idraulica stabilite nelle Norme
Tecniche di attuazione del PAI dell’Autorità di Bacino della Puglia).
Each kind of damage/degradation is evaluated with regard to its
infl uence on durability and safety of the bridge or, more specifi cally,
on the specifi c structural element considered, to the impact that the
specifi c element has on the stability of the structure, and to damage
intensity and extent.
So it is possible to defi ne a modifi ed Seismic Damage Index, which
takes into account the effective structural maintenance condition:
The parameter CR (G
RECO
& R
AFFAELE
, 2008) reaches values be-
tween 0.05 and 0.5; at the same time, the corrective factor should be
considered between 1.05 and 2.00, varying from a condition in which
structural problems are not present, to a condition of high vulnerabil-
ity considering damage or degradation.
HYDRAULIC DAMAGE INDEX
The objective pursued with the development of a multihazard
risk analysis, is the defi nition of a connection between the existing
Seismic Damage Index and a new index, connected with structural
hydraulic vulnerability, which is able to characterize bridges and
viaducts, also making comparisons, outline immediately situations
of potential risk needing more and complete analysis, defi ne prior-
ity lists. This purpose was reached introducing a new simple and
general model, built with special attention to those structural and
hydraulic parameters that have to be considered more relevant for
the analyzed events, and keeping the existing seismic model. Dur-
ing a fi rst level analysis, hydraulic vulnerability has to be connected
only with the behavior and the occupation of the bridge cross sec-
tion during a fl ood, while more detailed analysis should evidence
other relevant aspects, such as sediment erosion and transport and
structural stresses during a fl ood.
Hydraulic Damage Index, that is strictly connected with risk fac-
tors associated to the own vulnerability of the bridge, to the natural
hydraulic hazard of the geographical area, and to the principal char-
acteristics of the watershed, is defi ned as follows:
The term Q
200
represents the expected value of fl ood, evaluated at
the cross section of the bridge, with 200 years of return period. Q
max
e
Q
min
represent two fl ow values strictly connected with the bridge con-
fi guration, respectively equivalent to the expected maximum fl ow as-
suming a complete occupation of the cross section, and to the admit-
ted fl ow considering 1 m of freeboard (according to the conditions of
hydraulic safety reported in “Norme tecniche di attuazione del PAI”
of Autorità di Bacino della Puglia).
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APPROCCIO METODOLOGICO PER LA VALUTAZIONE DEL RISCHIO MULTIHAZARD SU PONTI E VIADOTTI
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A. CASTORANI, A. R. DI SANTO, U. FRATINO, R. LIMONGELLI, M. MEZZINA, P. ALESSANDRO, D. RAFFAELE & I. TRULLI
Eventuali valori negativi assunti da ID
idraulica
stanno a signifi care
opere ben dimensionate, in cui la portata bicentenaria può defl uire
con un’occupazione della sezione caratterizzata da oltre un metro di
franco; convenzionalmente si assegna a queste condizioni un valore
dell’indice di Danneggiabilità Idraulica pari a 0. Valori poco superiori
al valore nullo sono associati ad opere per le quali non ci siano parti-
colari condizioni di criticità, viceversa valori vicini all’unità indicano
che la portata bicentenaria tende a defl uire in condizioni prossime a
quella limite ammissibile. Elevata criticità è da attribuirsi ad opere
per le quali l’Indice assuma valore superiore ad 1, in quanto si presu-
me l’insuffi cienza della sezione di defl usso in relazione ad eventi con
tempo di ritorno anche minore di 200 anni.
La valutazione dell’Indice di Danneggiabilità Idraulica proposta
nella presente procedura si basa su due ipotesi fondamentali. Una di ca-
rattere “geometrico” che consiste nello schematizzare la sezione libera
di defl usso come una sezione rettangolare equivalente, di base (B) pari
alla larghezza libera in corrispondenza dell’attraversamento (ottenuta
sommando le luci nette delle varie campate costituenti l’opera), e di
altezza (Y) pari all’altezza libera media tra intradosso e fondo alveo.
L’altra di carattere “idraulico” che consiste nell’ipotizzare che il pas-
saggio della corrente in corrispondenza dell’opera avvenga allo stato
critico. Tale ipotesi ha lo svantaggio di essere sicuramente la meno cau-
telativa tra le possibili (considera infatti il transito della massima porta-
ta a parità di energia), ma è al tempo stesso la più semplice, richiedendo
solo la individuazione dei suddetti dati geometrici. Allo stato critico,
infatti, portata e carico sono legate dalla relazione:
Per tener conto di una portata più realistica relativa a condizio-
ni diverse da quella critica occorre applicare alla (4) un opportuno
fattore di riduzione adeguatamente calibrato sull’attendibilità delle
suddette ipotesi. Nella presente procedura, analisi e considerazioni
idrauliche condotte sulle aste fl uviali principali afferenti ai bacini più
signifi cativi della provincia di Foggia hanno consigliato di utilizzare
un fattore particolarmente cautelativo pari a 0.6. In queste ipotesi i
valori di riferimento Q
max
e Q
min
, delle portate caratteristiche dell’ope-
ra, così come prima defi niti, valgono rispettivamente:
Il valore di portata Q
200
, relativo al tempo di ritorno di 200 anni, può
essere invece calcolato attraverso le ordinarie tecniche di modellazione
affl ussi–defl ussi: nella procedura presentata, si è fatto ricorso al metodo
del Curve Number e alla formulazione nota come “metodo razionale”.
Il metodo del CN, considerando anche che ha una applicazione ottima-
le su bacini di ridotta superfi cie (Soil Conservation Service SCS, 1972)
, è stato adoperato per il calcolo delle portate su bacini caratterizzati da
area minore di 40 km
2
. Per le superfi ci maggiori si è fatto invece ricorso
al metodo razionale. Si riportano di seguito le relazioni per il calcolo
Negative values of the ID
idraulica
are connected with safe struc-
tures, in which the 200 years-fl ow should transit with a freeboard
greater than 1m; conventionally the Hydraulic Damage Index
should be set to 0 in these situations. If the value results slightly
higher than 0 there is no specifi c risk, but if the value becomes ap-
proximately equal to unit, the structures is expected to reach limit
conditions. Structures characterized by higher values than the unit
are also characterized by high vulnerability, because the bridge ap-
pears to be unsafe even considering fl ood events with a return pe-
riod lower than 200 years.
The estimate of the hydraulic vulnerability index here proposed,
is based on two simple hypothesis. On one hand there is a geometric
hypothesis, based on the assumption that the bridge cross section is
represented by a rectangular section, in which the dimension “B”
is the total free width under the bridge (calculated as the sum of
the widths of the spans), and “Y” is the height between the river
bed and the bottom of the superstructure. On the other hand there
is an hydraulic hypothesis, based on the assumption that the fl ow
should be described considering the critical state. This hypothesis
is certainly the less conservative one, but it is also the most simple
one, because it allows the calculation of the fl ow only taking into
account geometrical aspects. In fact, considering the critical state,
fl ow and water height are connected as follows:
To get more realistic fl ow values, considering that the hypoth-
esis of critical state is not completely correct, a correction coeffi cient
should be introduced. In the proposed method, as a result of analysis
and evaluations conducted on the most relevant rivers belonging to
Foggia region, a precautionary value of 0.6 is set. So, considering all
these hypothesis, the values Q
max
e Q
min
as formerly defi ned, change
as follows:
The fl ow value Q
200
, calculated considering 200 years of return
period, is determined is determined, in the proposed methodology,
through the application of the most commonly used “rainfall-runoff”
modeling techniques: the “Curve number” and the “Rational” meth-
ods; the former is used for watersheds with an area smaller than 40
km
2
, considering also that this model is usually applied in computa-
tions on small watersheds (Soil Conservation Service SCS, 1972),
the latter is used for other watersheds. The relationships used in the
models presented, are here described:
background image
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25
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delle portate alla base delle due metodologie considerate:
L’applicazione delle relazioni (7, 8) richiede fondamentalmente
la conoscenza della superfi cie (A) del bacino e dell’intensità criti-
ca della precipitazione di assegnato tempo di ritorno i
T
intesa come
rapporto tra altezza critica h
c
e tempo di corrivazione t
c
ricavata at-
traverso le curve di possibilità climatica del VAPI (F
IORENTINO
&
C
OPERTINO
, 1994). In particolare, poi, la formula razionale necessita
della stima, non sempre agevole, del coeffi ciente di defl usso (C) che
tiene conto della riduzione dell’affl usso meteorico in funzione delle
caratteristiche del bacino, quali uso del suolo, geologia, pendenza dei
versanti. Il metodo del CN invece richiede, per la stima del volume
(V) di defl usso e del tempo caratteristico ta (tempo di accumulo), la
determinazione del parametro “CN”, un numero adimensionale com-
preso tra 0 e 100, funzione delle caratteristiche del suolo in termini di
natura (essenzialmente litologia), copertura vegetale e condizioni di
umidità antecedenti la precipitazione.
A questo scopo si è impostata un’analisi volta a determinare, at-
traverso il ricorso a strumenti GIS, carte rappresentative del coeffi -
ciente di defl usso e del CN per la zona di interesse, attraverso l’analisi
dei dati geomorfologici del territorio. Per la stima e taratura ottima-
le dei valori si è anche fatto un confronto con i risultati derivanti
dall’analisi statistica delle serie storiche di dati idrometrici disponibili
nelle stazioni strumentate.
Rappresentando grafi camente i valori delle portate ottenuti grazie
alle metodologie prima citate, in riferimento a gruppi signifi cativi di
sottobacini di differente estensione, si è potuto riscontrare in generale
l’esistenza di una buona correlazione tra portata e area dei bacini. Ciò è
da considerarsi particolarmente utile, in quanto è possibile ottenere una
relazione di validità “generale” cioè estendibile a tutte le sezioni del ba-
cino in esame ed utilizzabile per il calcolo della portata di riferimento,
operando in dettaglio solo su un numero ridotto di sezioni. Ovviamente
questo è un dato di particolare rilievo, soprattutto in considerazione del
fatto che il modello proposto deve essere destinato principalmente a
valutazioni “speditive” di primo livello della vulnerabilità dei ponti, per
effettuare le quali sarebbe eccessivamente dispendioso dover prevedere
una completa modellazione affl ussi-defl ussi.
Si riporta di seguito un quadro sintetico delle relazioni ottenute.
In particolare, considerando le signifi cative differenze geomorfologi-
che tra i vari bacini, si è scelto di ricavare queste relazioni omogenee
in maniera distinta per i vari corsi d’acqua indagati (Cervaro, Can-
delaro, Carapelle). Inoltre, allo scopo di migliorare l’aderenza delle
relazioni interpolanti individuate ai dati calcolati di riferimento, si
è pensato di “spezzare” l’interpolazione, utilizzando come valore di
soglia una superfi cie pari a 160 km
2
. In sostanza, per bacini di area in-
The application of the formulas above presented (7, 8) requires
only the computation of the area of the watershed (A), and of the
critical rainfall intensity i
T
calculated as the ratio between the criti-
cal rainfall h
c
and the corrivation time t
c
, considering a fi xed return
period calculated according to VAPI curves (F
IORENTINO
& C
OPERTINO
,
1994). Moreover, the “rational” method requires also an estimate of
the runoff coeffi cient, a parameter that takes into account the reduc-
tion of the total rainfall intensity due to watershed characteristics such
as land use, geology, slope. The Curve Number method requires an
estimate of the term CN, to determine the total fl ow volume and the
time ta (time to peak) that should be used: CN is a number varying
between 0 and 100, depending on soil characteristics, lithology, veg-
etation coverage and antecedent moisture conditions.
A geographical analysis based on GIS software was carried on
in order to obtain a graphical representation of runoff coeffi cient
and CN over the analyzed area, using geomorphologic data. Moreo-
ver, statistic information regarding rainfall and fl ow, available for
some particular gauged areas were used to improve the estimate of
values and coeffi cients.
As a consequence of the graphical representation of the calcu-
lated values of fl ow, and considering particular groups of water-
sheds with different values of area, a good relationship between
fl ow and area was detected.
This result is particularly relevant, because it determines the
possibility of defi ning a general relationship useful to calculate the
expected fl ow with a specifi c return period, in every section of the
watershed, starting only from the data calculated in a few signifi cant
sections. This fact becomes particularly interesting also considering
that the proposed method is meant specifi cally to be used in “fi rst
level” simple vulnerability analysis, in which a complete computa-
tion of “rainfall-runoff” models is not appropriate.
A complete graphical synthesis of the relationships obtained is
now presented. Particularly, considering also some relevant geomor-
phological differences between different watersheds, these relation-
ships were determined considering homogeneous river areas (Cer-
varo, Carapelle, Candelaro). Moreover, the interpolation was divided
considering an area threshold value of 160 km
2
, to get better rela-
tionships. So, two different relationships were calculated, consider-
ing watersheds with area smaller than 160 km
2
or greater than 160
km
2
: they’re both power laws, with a unique common value for 160
km
2
, used to calculate the expected fl ow with a return period of 200
years only considering the area of the watershed. Thus, the problem
of overestimating fl ow values attributed to small watersheds and no-
background image
APPROCCIO METODOLOGICO PER LA VALUTAZIONE DEL RISCHIO MULTIHAZARD SU PONTI E VIADOTTI
26
A. CASTORANI, A. R. DI SANTO, U. FRATINO, R. LIMONGELLI, M. MEZZINA, P. ALESSANDRO, D. RAFFAELE & I. TRULLI
feriore a 160 km
2
, e per bacini di area superiore a 160 km
2
, sono state
dedotte due differenti correlazioni di potenza per calcolare la portata
bicentenaria in funzione della superfi cie di riferimento, imponendo
la coincidenza del valore fornito in corrispondenza della soglia. In
questo modo si supera un problema di sovrastima dei valori di porta-
ta caratteristici per bacini di ridotte dimensioni, riscontrato a seguito
dell’applicazione di una unica curva di interpolazione.
Il valore di portata defl uente nella sezione dell’opera, così valuta-
to, può essere però ancora condizionato da una serie di aspetti locali
particolarmente rilevanti, spesso riconducibili a situazioni desumibili
da semplice osservazione e rilievo, che quindi possono essere tenuti
in considerazione con un grado di approssimazione compatibile con
il livello di analisi in atto.
Il valore di portata defl uente nella sezione viene infatti, nel mo-
dello proposto, ulteriormente corretto considerando quelli che possono
essere effetti in grado di determinare ostruzioni o riduzioni al defl usso
in corrispondenza dell’attraversamento: in particolare si è ritenuto di
considerare come rilevanti la presenza di vegetazione, la contrazione
in altezza e in larghezza della sezione naturale dell’alveo prodotta dalla
presenza dell’opera, l’inclinazione della corrente rispetto all’asse delle
ticed with the introduction of a unique interpolating curve, is solved.
The expected fl ow value in the bridge cross section, estimated as
above described, should be also infl uenced by different local aspects,
sometimes particularly relevant, which are often associated with fac-
tors that could be observed and evaluated by means of simple fi eld
analysis. These factors are considered with an approximation com-
pletely compatible with a fi rst level analysis.
The expected fl ow value in the bridge cross section, as deter-
mined in the proposed model, is corrected considering local effects
that should cause obstructions or determine fl ow limitations: par-
ticularly, we focused on the presence of vegetation, on a width or
height reduction due to the presence of the structure in the river
bed, on the inclination between the stream and the piers’ axis, on
the local river curvature.
Considering the effect of vegetation, a fl ow reducing coeffi cient
was assumed as 0.8 if the vegetation appears to be thick or as 0.9 if
the vegetation is thin. A unit coeffi cient was assumed if vegetation
was not present.
As far as the contraction of the cross section is concerned, con-
sidering the natural river section, it is possible to determine if the
structure causes a signifi cant reduction in the width of the section
Fig. 1 - Relazioni tra area e portata per il fi ume Cervaro
- Relationship between area and fl ow for Cervaro river
Fig. 2 - Relazioni tra area e portata per il fi ume Carapelle
- Relationship between area and fl ow for Carapelle river
Fig. 3 - Relazioni tra area e portata per il fi ume Candelaro
- Relationship between area and fl ow for Candelaro river
background image
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pile o la curvatura del corso d’acqua in corrispondenza dell’opera.
In merito alla presenza di vegetazione, si è attribuito un fattore
riduttivo della portata transitante pari a 0.8 o 0.9 rispettivamente nel
caso di vegetazione in alveo fi tta e rada, attribuendo coeffi ciente uni-
tario nel caso di assenza di vegetazione.
In relazione alla contrazione di sezione rispetto alla sezione origina-
ria d’alveo, la presenza dell’opera può determinare una sensibile riduzio-
ne della sezione di defl usso, sia in larghezza (ad esempio per ingombro
delle spalle in alveo, ovvero per eccessivo ingombro delle spalle), sia in
altezza (ad esempio qualora l’intradosso sia sensibilmente più basso del-
le quote arginali). Nella presente procedura tale eventualità è controllata
da un coeffi ciente di riduzione cui viene attribuito un valore variabile in
funzione dell’entità della contrazione, fi no ad un minimo di 0.75.
Infi ne, per quanto attiene l’inclinazione della direzione della cor-
rente rispetto all’asse delle pile, i valori delle portate di riferimento
vengono ridotte di un fattore variabile fi no a 0.85 per angoli compresi
tra 0° e 30°, e fi no ad un minimo di 0.7 per angoli superiori a 30°.
INDICE DI FUNZIONALITÀ
Accanto agli Indici di Danneggiabilità, strettamente connessi ai
rischi presi in esame nella procedura multihazard, grande rilievo as-
sumono quegli indicatori correlati all’importanza dell’opera nell’am-
bito della rete di appartenenza e alla posizione strategica dell’opera
nell’ambito della comunità servita. Questi parametri, insieme ad altri
particolarmente signifi cativi quali il volume di traffi co ed il tipo di osta-
colo sovrapassato, concorrono a defi nire l’Indice di Funzionalità, sin-
tetico degli elementi di rischio correlati all’esposizione del manufatto.
Con l’obiettivo di primo livello di defi nire liste di priorità
nell’ambito di una stessa rete infrastrutturale, è opportuno che tali pa-
rametri siano selezionati in maniera tale da risultare qualitativamente
essenziali ed in numero ridotto.
L’Indice di funzionalità è costruito come somma pesata di fattori
calibrati sui suddetti parametri (M
EZZINA
& R
AFFAELE
, 2007) e (G
RECO
& R
AFFAELE
, 2008), secondo la seguente relazione:
I fattori Ф
i
considerati possono al più assumere valore unitario,
pertanto l’indice di funzionalità sarà compreso tra 0 e 1. Naturalmen-
te la quantifi cazione dei fattori Ф
i
e dei pesi P
Фi
atti a defi nire il sud-
detto indice dipende da giudizi altamente soggettivi, e si presta ad
essere calibrata in funzione delle fi nalità e degli obiettivi specifi ci
che il gestore di una rete si propone di raggiungere nell’ambito della
defi nizione di liste di priorità.
I fattori selezionati nella presente procedura per la quantifi cazio-
ne dell’Indice di Funzionalità, e i relativi pesi adottati sono ripresi da
(M
EZZINA
& R
AFFAELE
, 2007) e qui di seguito sintetizzati:
- categoria della strada di appartenenza del ponte, in quanto fat-
tore rappresentativo della rilevanza socio-economica dell’opera
(P
Ф1
=18%); fattore Ф
1
descritto in Tab. 3.
(as a consequence of the presence of piers or abutments) or in the
height of the section (if the intrados of the superstructure results
lower than the embankments). In the proposed method, the width
or height reduction is considered by means of a reducing coeffi -
cient, that varies according to the contraction entity, assuming 0.75
as minimum value.
Finally, as far as the inclination between the stream and the piers’
axis is concerned, fl ow values are usually reduced using a variable
coeffi cient that reachs the value of 0.85 if the inclination angle is
between 0° and 30°, and a minimum value of 0.7 if the inclination
angle is greater.
FUNCTIONALITY INDEX
Besides these Damage Indexes, strictly connected with the kind of
risk considered in the multihazard analysis, a great importance is as-
sumed by particular indicators correlated with the importance of the
bridge in the infrastructural system to which it belongs, and with the
relevance of the structure in the served community. All these parameters,
also with other particularly signifi cant ones, such as traffi c volume and
kind of obstacle passed, contribute to defi ne the Functionality Index, that
summarizes risk elements connected with the exposure of the bridge.
Considering the objective of defi ning priority lists on a specifi c
infrastructural network, it is necessary to use a few, simple and syn-
thetic indexes.
The Functionality Index is determined as the weighted sum of
factors connected to the parameters above mentioned (M
EZZINA
&
R
AFFAELE
, 2007) and (G
RECO
& R
AFFAELE
, 2008), according to the fol-
lowing relationship:
The considered factors Ф
i
have the unit value as maximum, so the
Functionality Index is between 0 and 1. Obviously, the computation
of the factors Ф
i
and of the weights P
Фi
used to defi ne the previously
introduced Index, is due to subjective evaluations and should be cali-
brated according with the purposes and the specifi c objects that the
infrastructural net’s director has while compiling a priority list.
The factors defi ned to evaluate the Functionality Index, and their
corresponding weights, are taken from (M
EZZINA
& R
AFFAELE
, 2007)
and here summarized:
- belonging class of the street considered, that represents social and
economical relevance of the structure (P
Ф1
=18%); factor Ф
1
de-
scribed in Tab. 3.
- signifi cance and typology of the river passed (P
Ф2
=18%); factor
background image
APPROCCIO METODOLOGICO PER LA VALUTAZIONE DEL RISCHIO MULTIHAZARD SU PONTI E VIADOTTI
28
A. CASTORANI, A. R. DI SANTO, U. FRATINO, R. LIMONGELLI, M. MEZZINA, P. ALESSANDRO, D. RAFFAELE & I. TRULLI
- importanza e tipologia del corso d’acqua sovrapassato (P
Ф2
=18%);
fattore Ф
2
descritto in Tab. 4.
- livello di traffi co (defi nito dal TGM) (P
Ф3
=24%); fattore Ф
3
de-
scritto in Fig. 4.
- lunghezza complessiva dell’opera L (m), (se maggiore, maggiore
risulta l’esposizione) (P
Ф4
=12%); fattore Ф
4
descritto in Fig. 5.
- lunghezza della deviazione del traffi co L
d
(m) nelle ipotesi di per-
corso alternativo (un’opera è tanto più importante, nell’ambito
di una rete stradale, quanto minori sono le alternative che la rete
presenta al suo attraversamento) (P
Ф5
=15%); fattore Ф
5
descritto
in Fig. 6.
- posizione dell’opera, e quindi natura dell’area e delle attività ser-
vite dalla stessa (P
Ф6
=13%); fattore Ф
6
descritto in Tab. 5.
ANALISI MULTIHAZARD: IL METODO PROPOSTO
Nella presente procedura, riprendendo e completando l’imposta-
zione utilizzata in (M
EZZINA
& R
AFFAELE
, 2007), agli Indici di Dan-
neggiabilità Sismica ed Idraulica ed all’Indice di Funzionalità de-
scritti ai punti precedenti, si affi da il compito di defi nire parametri di
Ф
2
described in Tab. 4.
- traffi c level (as defi ned by TGM) (P
Ф3
=24%); factor Ф
3
described
in Fig. 4.
- total length of the structure L(m), (if it increases, the exposure
increases too) (P
Ф4
=12%); factor Ф
4
described in Fig. 5.
- length of the detour L
d
(m) that becomes necessary if an alter-
native course is considered (the importance of a structure in an
infrastructural net increases if there are few alternatives to its use)
(P
Ф5
=15%); factor Ф
5
described in Fig. 6.
- position of the structure, and kind of areas and activities served
(P
Ф6
=13%); factor Ф
6
described in Tab. 5.
MULTIHAZARD ANALYSIS: THE PROPOSED MODEL
In the proposed model, also considering and completing the meth-
odology introduced in (M
EZZINA
& R
AFFAELE
, 2007), the fi rst level
priority analysis is conduced exploiting and combining the Seismic,
Hydraulic and Functionality Index, as described above.
Fig. 4 - Valori del coeffi ciente Ф
3
- Values of coeffi cient Ф
3
Fig. 5 - Valori del coeffi ciente Ф
4
-
Values of coeffi cient Ф
4
Fig. 6 - Valori del coeffi ciente Ф
5
- Values of coeffi cient Ф
5
Tab. 5 - Valori del coeffi ciente Ф
6
- Values of coeffi cient Ф
6
Tab. 3 - Valori del coeffi ciente Ф
1
- Values of coeffi cient Ф
1
Tab. 4 - Valori del coeffi ciente Ф
2
- Values of coeffi cient Ф
2
background image
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With the purpose of conducting a multihazard risk analysis, it is
possible to consider simultaneously these three indexes, defi ning a
Priority Index as follows:
First of all it appears necessary to consider that the qualitative
sense of the three indexes is similar: when the value is unit or near
to unit, the structure has to be considered in a limit condition, as far
as functionality or performances are concerned; but it has also to be
noticed that the principles used to defi ne the indexes are surely dif-
ferent, this unlikeness requires the introduction in (10) of corrective
coeffi cients ν to weight the different indexes.
The Damage Indexes introduced in the presented procedure, are
characterized by a substantial difference. In fact, according to the
seismic defi nition, the limit condition is associated with failure or
structural collapse, and so it represents a condition in which the struc-
ture is completely not usable. In this analysis an earthquake able to
conduct the structure towards the limit condition is assumed as refer-
ence: in this condition “the structure undergoes great breakings and
collapses of non-structural and plant elements, and serious damages
of structural elements
”.
On the other hand, according to the hydraulic defi nition, the limit
condition described by the unit value of the Hydraulic Damage Index
is not directly connected with a “collapse” condition of the structure,
but with an “effectiveness” one during the fl ood event. So, it appears
necessary to weight the Hydraulic Damage Index in comparison with
the Seismic Damage Index, introducing a weight factor associated
with the possibility of pressure fl ow under the bridge.
The weight factor associated with the Functionality Index is in-
stead determined by the directors of infrastructural networks, accord-
priorità utili per analisi di primo livello.
Nell’ottica di un’analisi multihazard, è possibile tenere conto
contestualmente dei tre indici suddetti, introducendo un Indice di
Priorità, così defi nito:
Va innanzitutto considerato che il signifi cato dei tre indici è analo-
go da un punto di vista qualitativo: al raggiungimento del valore uni-
tario o in prossimità di esso, l’opera si trova, in termini prestazionali o
di funzionalità, prossima al limite superiore assunto come riferimento;
ciononostante i criteri alla base della defi nizione dei tre indici sono so-
stanzialmente differenti, e ciò richiede nella (10) l’utilizzo di coeffi -
cienti ν che tendono a conferire peso diverso ai suddetti indici.
I due Indici di Danneggiabilità utilizzati nella presente procedu-
ra sono caratterizzati da una differenza di fondo. In ambito sismico
si assume come condizione limite la condizione ultima, prossima al
collasso strutturale, al raggiungimento della quale è associata una
situazione di totale inservibilità dell’opera. È assunto infatti, quale
riferimento, un sisma la cui entità sia tale da condurre l’opera verso
uno stato limite in cui “la costruzione subisce gravi rotture e crolli
dei componenti non strutturali ed impiantistici e danni molto gravi
dei componenti strutturali
”.
In ambito idraulico, invece, la condizione che porta alla defi ni-
zione dell’indice corrispondente ed in particolare al raggiungimento
per lo stesso del valore limite unitario, non è correlata univocamente
e necessariamente ad una condizione “ultima” della struttura, ma ad
una situazione legata piuttosto a condizioni limite di “operatività”
contestuale all’evento. È pertanto opportuno pesare l’indice di Dan-
neggiabilità Idraulica rispetto al Sismico con un fattore opportuno,
eventualmente variabile in funzione della possibilità che si instaurino
al di sotto dell’opera condizioni di defl usso in pressione.
Fig. 7 - Spazio di Priorità
-
Priority space
Fig. 8 - Vulnerabilità di un ponte rappresentata nello Spazio di Priorità
- A bridge’s vulnerability represented in the priority space
background image
APPROCCIO METODOLOGICO PER LA VALUTAZIONE DEL RISCHIO MULTIHAZARD SU PONTI E VIADOTTI
30
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Il peso da dare all’Indice di Funzionalità è, invece, prerogativa dei
gestori delle reti infrastrutturali; generalmente il coeffi ciente ν1 è as-
sunto variabile nell’intervallo 0.4 - 0.8 in funzione degli obiettivi fi ssati.
Se in uno spazio a tre dimensioni del tipo in Fig. 7 e Fig. 8 (Spa-
zio di Priorità) vengono rappresentati sugli assi coordinati i tre indici
adeguatamente pesati, il punto di coordinate (ν
1
• ID
sismico
, ν
2
•ID
idraulica
, ν
3
•IF) individua la posizione del manufatto nello Spazio di Priorità,
mentre l’indice di priorità IP ne defi nisce la distanza dall’origine.
Complessivamente l’Indice di Priorità sintetizza il livello di rischio
totale associato alla singola opera nell’ambito della rete analizzata, e
grafi camente la posizione del punto nello Spazio di Priorità consente
di individuare quale tipo di hazard causa il livello di rischio riscontrato.
APPLICAZIONE DEL MODELLO
Si riportano quindi i risultati dell’applicazione della procedura ad
un gruppo di opere localizzate su aste fl uviali afferenti ai principali
bacini localizzati nella Provincia di Foggia. È stato preso in esame un
rilevante numero di attraversamenti secondo le ubicazioni riportate in
Fig. 9 (trascurando le sole opere interessate da contributi provenienti
da bacini imbriferi di area minore di 25 Km
2
). Prima di procedere è
importante fare alcune considerazioni operative. In primo luogo si
sottolinea come l’analisi di vulnerabilità idraulica sia stata effettuata
su tutte le opere censite (quindi anche tombini e ponticelli), mentre
l’analisi sismica abbia naturalmente riguardato in maniera esclusiva
le opere più signifi cative (essenzialmente ponti e viadotti con luci
notevoli). Pertanto il modello di analisi multihazard è stato applicato
su una parte delle opere complessivamente indagate. Inoltre è impor-
tante sottolineare come l’analisi proposta si presti ad una duplice in-
terpretazione: da un lato la defi nizione delle liste di priorità può avere
un interesse “fi sico – naturale”, quindi può riguardare ad esempio
opere localizzate da monte verso valle lungo una particolare asta fl u-
viale; dall’altro lato, una lista di priorità può essere defi nita a livello
“infrastrutturale”, e quindi può essere fi nalizzata alla individuazione
ing to specifi c necessities, and should vary between 0.4 and 0.8.
In a graphical representation of the Indexes introduced, appropri-
ately weighted, on the axis of a three-dimensional space, as in Fig. 7
and in Fig. 8 (Priority Space), each point defi ned by three coordinates
1
• ID
sismico
, ν
2
•ID
idraulica
, ν
3
•IF) identifi es the position of every single
structure in the priority Space, and the index IP determines the dis-
tance from the origin.
On the whole, Priority Index summarizes the total risk level asso-
ciated to the single structure in the network analyzed, and the graphi-
cal representation of each point in the Priority Space permits to estab-
lish which hazard causes the individuated risk level.
MODEL APPLICATION
The results obtained after the implementation of the procedure
described on a signifi cant group of structures, located on rivers be-
longing to the principal watersheds of Foggia region are now pre-
sented. The bridges analyzed are numerous and located as in Fig. 9
(only if the watershed contributing has an area lower than 25 Km
2
,
the bridge is neglected). First of all some operative considerations are
necessary. The hydraulic analysis was conducted on all the structures
assessed (also culverts and small bridges), while the seismic analysis
was conducted only on the principal structures (bridges and viaducts).
So the multihazard model proposed was applied only on a portion of
the structures assessed in all. Moreover, it is important to specify that
this analysis should be interpreted according to two different points
of view: on one hand the defi nition of priority lists may have a “phys-
Fig. 9 - Posizione delle strutture analizzate
- Position of the analyzed structures
Tab. 6 - Risultati per il fi ume Carapelle
- Results for Carapelle river
background image
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31
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dei livelli di rischio associati ad opere localizzate lungo una partico-
lare via di comunicazione (tratta ferroviaria, autostrada…). In Tab.
6 sono sintetizzati i valori assunti dai tre indici che caratterizzano la
procedura descritta, in corrispondenza di ogni opera analizzata per il
Carapelle; in Fig. 10 sono, invece, diagrammati i risultati dell’anali-
si condotta in termini di liste di priorità, utilizzando per l’Indice di
Danneggiabilità Sismica un peso ν
1
=1, per l’Indice di Funzionalità
un peso ν
3
=0.4 e per l’indice di Danneggiabilità Idraulica un peso 0.4
≤ν
2
≤ 0.8. In relazione a quest’ultimo indice, si precisa che se l’opera
è caratterizzata da ID
idraulica
<1, nella procedura è stato utilizzato un
coeffi ciente costante e pari a 0.4, mentre negli altri casi si è adottato
un peso variabile in proporzione al tirante corrispondente al defl usso
della portata Q
200
, fi no ad un valore massimo di ν
2
=0.8.
Infi ne gli stessi risultati dell’analisi, relativi alle opere più a ri-
schio, possono essere proiettati nello Spazio di Priorità. La proce-
dura proposta ha consentito, pertanto, attraverso un numero ridotto
di campagne di sopralluogo, di defi nire delle liste di priorità e quin-
di un quadro complessivo della vulnerabilità sismica ed idraulica di
ponti e viadotti localizzati nel territorio sotto osservazione, mettendo
facilmente in evidenza da un lato le più rilevanti situazioni di criti-
cità e dall’altro, la gradualità dei livelli di rischio. In questa fase il
“censimento” delle opere è stato condotto attraverso schede oppor-
tunamente strutturate, e di seguito è stata effettuata l’immissione dei
ical-natural” interest, so it may interest groups of structures located
on the same river from upstream to downstream; on the other hand a
priority list may be defi ned according to an “infrastructural” interest,
and so it may be oriented to the individuation of risk levels of bridges
located on a specifi c road (highways, railways…).In Tab. 6 the values
assumed by the three indexes proposed for each structure on Cara-
pelle river, according to the described method, are presented; in Fig.
10 the results of the analysis conducted in terms of priority lists, as-
suming a weight factor ν
1
=1 for the Seismic Damage Index, a weight
factor ν
3
=0.4 for the Functionality Index and a varying weight factor
0.4 ≤ν
2
≤ 0.8 for the Hydraulic Damage Index, are represented. With
specifi c reference to the Hydraulic Damage Index, if the structure
has an ID
idraulica
<1 the coeffi cient is set to 0.4, otherwise the weight
factor varies proportionally with the Q
200
fl ow height expected, from
0.4 to 0.8.
Finally, the same results, associated to the structures with higher
risk level, could be projected in the Priority Space.
The proposed methodology permitted, only requiring a few in-
spections, to defi ne priority lists and to determine a complete outline
of the seismic and hydraulic vulnerability of bridges and viaducts lo-
cated in the area of interest, evidencing also on one hand the most
relevant situations of risk, and on the other hand the gradualness of
risk levels. This fi rst level analysis was conducted using prepared
Fig. 10 - IP per le strutture sul fi ume Carapelle
- IP for structures on Carapelle river
Fig. 12 - Struttura del Web-GIS
- Structure of the Web-GIS
Fig. 11 - Struttura del Web-GIS
- Structure of the Web-GIS
background image
APPROCCIO METODOLOGICO PER LA VALUTAZIONE DEL RISCHIO MULTIHAZARD SU PONTI E VIADOTTI
32
A. CASTORANI, A. R. DI SANTO, U. FRATINO, R. LIMONGELLI, M. MEZZINA, P. ALESSANDRO, D. RAFFAELE & I. TRULLI
forms, and then all the data collected were inserted in a server, on
which a Web-GIS service realized by Autorità di Bacino della Puglia
works. This system, that is now improving, should soon be easily
utilized and modifi ed by authorized users (for example, if signifi cant
modifi cations in the structural conditions are detected during one of
the periodic programmed inspections), and should also be usable and
questioned on-line by interested users.
A few images representing the structure and the functions of the
Web-GIS are now presented (Fig. 11 e Fig. 12). It can be noticed
that cartographic data (such as communal or regional boundaries,
contours, stream network…) are available, and they can be modifi ed
and questioned with the typical GIS functions. Moreover it is pos-
sible also to visualize the location of the bridges, and to access to the
chart with the data collected, which can be easily exported, printed or
modifi ed if it is necessary.
CONCLUSIONS
The methodology here discussed is characterized by a substan-
tial simplicity and should be immediately handled and, if accom-
panied on one hand by well structured inspection-tables and on
the other hand by the development of the Web-GIS of AdB Puglia,
should be immediately applied to build priority lists connected with
the results of a fi rst level multihazard risk analysis: so, the results
of this analysis, in terms of hydraulic and seismic vulnerability of
bridges and viaducts, should be produced for a specifi c network.
This methodology, widely used and tested in ICAR Department
of Technical University of Bari as a part of “Progetto ANTAEUS”,
is also completed by a clear graphical representation in the Priority
Space. In this space, each structure is represented by a vector start-
ing from the origin, and the complete representation of the vectors
corresponding to the different structures belonging to the analyzed
network, gives an idea of the condition of the entire network. The
inclination of the vector, in the space represents the condition of
each structure and is strictly associated to the specifi c kind of hazard
that determines the vulnerability of the structure.
dati in un server, a servizio di un Web-GIS realizzato dall’Autorità
di Bacino della Puglia. Tale strumento, attualmente in fase di per-
fezionamento, sarà gestibile e modifi cabile da utenti autorizzati (ad
esempio a seguito dei sopralluoghi di aggiornamento da prevedersi
con opportuna cadenza, laddove si riscontrino modifi che signifi cative
sullo stato delle opere), e risulterà anche consultabile ed interrogabile
on-line da utenti interessati.
Si riportano anche alcune immagini signifi cative per descrivere la
struttura e le principali funzioni del Web-GIS (Fig. 11 e Fig. 12). Da
esse si evince in particolare la possibilità di inserire dati cartografi ci
di riferimento (limiti comunali e regionali, curve di livello, reticolo
idrografi co…), modifi cabili ed interrogabili con le tipiche funzioni di
un GIS. Inoltre è possibile visualizzare grafi camente la localizzazione
delle opere e accedere alla scheda di censimento, la quale può essere
facilmente esportata, stampata e se necessario modifi cata.
CONCLUSIONI
La procedura proposta nella presente nota è improntata alla mas-
sima semplicità e maneggevolezza e, se supportata da schede di cen-
simento adeguatamente predisposte, e da una opportuna evoluzione e
sviluppo del Web-GIS dell’AdB Puglia, può essere utilmente impie-
gata per produrre, nell’ambito di un’assegnata rete stradale o in rife-
rimento ad un reticolo idrografi co, liste di priorità per ponti e viadotti
in un’analisi multihazard di primo livello, in grado di considerare
esposizioni sia a rischio sismico che a rischio idraulico.
La procedura, ampiamente testata presso il Dipartimento ICAR
del Politecnico di Bari nell’ambito del “Progetto ANTAEUS”, è com-
pletata anche con un’effi cace rappresentazione grafi ca nello Spazio di
Priorità. In tale spazio lo status di ogni singola opera è rappresentato
da un raggio vettore uscente dall’origine e l’insieme dei raggi relativi
a tutte le opere afferenti al network analizzato fornisce una visione
sintetica delle caratteristiche prestazionali dell’intera rete. L’inclina-
zione, rispetto agli assi coordinati, del raggio vettore rappresentativo
delle condizioni di ogni singola opera consente inoltre di valutare in
maniera immediata il tipo di hazard principale responsabile della vul-
nerabilità riscontrata per l’opera in esame.
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Received January 2010 - Accepted May 2010
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