Conference PaperPDF Available

Risk assessment of transport networks in a multi-natural hazard environment (in Greek)

Authors:

Abstract

Failures in bridges and tunnels of road network are usually related to the effects of multiple hazards that may act independently during their lifetime. However, the literature concerning the assessment of the risk and resilience of the above assets, usually, focuses on the effects of a single natural hazard, ignoring the fact that these structures exist in an environment of multiple natural hazards. In this study, a methodological framework is given that concerns the assessment of the hazard and risk of tunnels and bridges that are subject to multiple natural hazards.
Εκτίμηση κινδύνου των δικτύων μεταφορών σε περιβάλλον πολλαπλών
φυσικών κινδύνων
Risk assessment of transport networks in a multi-natural hazard environment
ΚΑΡΑΤΖΕΤΖΟΥ, Α. Δρ. Πολιτικός Μηχανικός, Ερευνήτρια Α.Π.Θ.
ΤΣΙΝΙΔΗΣ, Γ. Πολιτικός Μηχανικός, Επίκ. Καθηγητής Π.Θ.
ΣΤΕΦΑΝΙΔΟΥ, Σ. Δρ. Πολιτικός Μηχανικός, Ερευνήτρια Α.Π.Θ.
ΣΤΕΦΑΝΙΔΗΣ, Σ. Δρ. Δασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος, Ερευνητής Α.Π.Θ.
ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Οι βλάβες σε γέφυρες και σήραγγες οδικών δικτύων συνήθως σχετίζονται με τις
επιπτώσεις πολλαπλών κινδύνων που μπορεί να δρουν ανεξάρτητα κατά τη διάρκεια της ζωής
τους. Ωστόσο, η βιβλιογραφία που αφορά στην εκτίμηση της επικινδυνότητας και
διακινδύνευσης των παραπάνω τεχνικών έργων επικεντρώνεται συνήθως στις επιπτώσεις
ενός μεμονωμένου φυσικού κινδύνου, αγνοώντας το γεγονός ότι όλα τα τεχνικά έργα
υφίστανται σε ένα περιβάλλον πολλαπλών φυσικών κινδύνων. Στην παρούσα εργασία, δίδεται
ένα μεθοδολογικό πλαίσιο που αφορά στην εκτίμηση της επικινδυνότητας και διακινδύνευσης
σηράγγων και γεφυρών που υπόκεινται σε πολλαπλούς φυσικούς κινδύνους.
ABSTRACT: Failures in bridges and tunnels of road network are usually related to the effects
of multiple hazards that may act independently during their lifetime. However, the literature
concerning the assessment of the risk and resilience of the above assets, usually, focuses on
the effects of a single natural hazard, ignoring the fact that these structures exist in an
environment of multiple natural hazards. In this study, a methodological framework is given
that concerns the assessment of the hazard and risk of tunnels and bridges that are subject to
multiple natural hazards.
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Τα οδικά δίκτυα διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο στην οικονομική ευημερία των σύγχρονων
κοινωνιών. Πρόσφατες φυσικές καταστροφές στην Ελλάδα, για παράδειγμα, ο σεισμός της
Κρήτης το 2021 και οι σεισμοί και οι πλημμύρες της Θεσσαλίας το 2021, καταδεικνύουν την
τρωτότητα των οδικών δικτύων σε πολλαπλούς φυσικούς κινδύνους, με αποτέλεσμα
σημαντικές οικονομικές και κοινωνικές απώλειες.
Ανεξάρτητα από το εξεταζόμενο σύστημα ή κατασκευή που κινδυνεύει ή διαφορετικά το τα
εκτιθέμενα στοιχεία (exposure model), ένα από τα πιο κρίσιμα βήματα οποιασδήποτε
μεθοδολογίας εκτίμησης της διακινδύνευσης έναντι πολλαπλών φυσικών κινδύνων, είναι ο
κατάλληλος ορισμός πολλαπλών σεναρίων επικινδυνότητας (multi-hazard model), στα οποία
το εξεταζόμενο σύστημα ή κατασκευή δύναται να υποβληθεί καθ' όλη τη διάρκεια ζωής του.
Ύστερα από τον καθορισμό του κατάλληλου σεναρίου για την έκφραση της επικινδυνότητας
σε πολλαπλούς φυσικούς κινδύνους, ακολουθεί, μέσω κατάλληλων μεθοδολογιών, η εκτίμηση
της τρωτότητας και της διακινδύνευσης (fragility model, risk model) των υπό μελέτη
εκτιθέμενων στοιχείων.
Τα τελευταία 30 χρόνια, έχουν αναπτυχθεί διάφορες μεθοδολογίες για την εκτίμηση της
τρωτότητας γεφυρών (Stefanidou & Kappos, 2017) και σηράγγων (Tsinidis et al., 2020,
Argyroudis et al., 2017, Tsinidis et al., 2022) έναντι του σεισμικού κινδύνου και του κινδύνου
έναντι πλημμύρας (Jaebeom et al., 2016). Αναγνωρίζοντας τις σημαντικές επιπτώσεις των
πολλαπλών φυσικών κινδύνων, καθώς και της κλιματικής αλλαγής, στην τρωτότητα των
υποδομών, το ερευνητικό ενδιαφέρον έχει μετατοπιστεί πρόσφατα στην εξαγωγή καμπυλών
τρωτότητας για πολλαπλούς φυσικούς κινδύνους (Gehl & D’Ayala, 2018). Ωστόσο, σε ό,τι
αφορά σε υποδομές μεταφορών, συμπεριλαμβανομένων των οδικών δικτύων, η έλλειψη
γνώσης παραμένει σημαντική, καθώς κρίσιμες παράμετροι που δύνανται να επηρεάσουν
σημαντικά την απόκριση και συνεπώς την τρωτότητα γεφυρών και σηράγγων έναντι φυσικών
καταστροφών, δεν έχουν διερευνηθεί ενδελεχώς. Επιπρόσθετα, η σωρευτική δράση φυσικών
κινδύνων στην τρωτότητα γεφυρών και σηράγγων αποτελεί ένα θέμα που απαιτεί περαιτέρω
διερεύνηση.
Το ερευνητικό έργο INFRARES (https://www.infrares.gr/) φιλοδοξεί να συμβάλει σε αυτό το
ερευνητικό πεδίο, μέσω της ανάπτυξης μιας μεθοδολογίας για την εκτίμηση της
διακινδύνευσης και της ανθεκτικότητας σηράγγων και γεφυρών σε περιβάλλον πολλαπλών
φυσικών κινδύνων. Η παρούσα εργασία στοχεύει στη συνοπτική παρουσίαση των
προτεινόμενων μεθοδολογιών που έχουν αναπτυχθεί στο πλαίσιο του INFRARES μέχρι τη
συγγραφή της, και αφορούν στην εκτίμηση της σεισμικής διακινδύνευσης (hazard model) για
συνδυασμένη δράση σεισμού και πλημμύρας, καθώς και στην εκτίμηση της τρωτότητας
(fragility model) γεφυρών έναντι σεισμικού η/και πλημμυρικού κινδύνου. Σύντομη αναφορά
γίνεται και στην μεθοδολογία για την εκτίμηση της τρωτότητας σηράγγων έναντι σεισμικού
κινδύνου, που αναπτύσσεται κατά τη συγγραφή της εργασίας.
2. ΤΟ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ INFRARES
Όπως αναφέρθηκε, στο πλαίσιο του INFRARES αναπτύσσεται μια μεθοδολογία εκτίμησης της
διακινδύνευσης και της ανθεκτικότητας οδικών δικτύων σε περιβάλλον πολλαπλών κινδύνων,
με επίκεντρο τις γέφυρες και τις σήραγγες. Για την επίτευξη του τελικού στόχου, της εκτίμησης
δηλαδή της διακινδύνευσης σε περιβάλλον πολλαπλών φυσικών κινδύνων, θα
χρησιμοποιηθούν διάφορα επιμέρους μεθοδολογικά πλαίσια, τα οποία συνδέονται με τα
ακόλουθα βήματα που περιλαμβάνονται σε κάθε ανάλυση εκτίμησης της διακινδύνευσης
έναντι σεισμού και άλλων φυσικών κινδύνων. Τα βήματα αυτά περιλαμβάνουν: (i) τα
εκτιθέμενα στοιχεία (exposure model), στην καταγραφή των κρίσιμων στοιχείων τους, π.χ.,
γέφυρες και σήραγγες, που μπορεί να επηρεαστούν από διάφορους φυσικούς κινδύνους, (ii)
την επικινδυνότητα σε πολλαπλούς φυσικούς κινδύνους (multi-hazard model), που αφορά
στον καθορισμό διαφόρων σεναρίων πολλαπλών φυσικών κινδύνων, εστιάζοντας στους
σεισμούς και στις πλημμύρες, καθώς αυτοί οι φυσικοί κίνδυνοι θεωρούνται οι πιο κρίσιμοι για
την Ελλάδα, και τέλος (iii) την εκτίμηση της τρωτότητας (fragility model), μέσω της οποίας
προκύπτει ο βαθμός βλάβης για το δεδομένο στοιχείο ή σύνολο στοιχείων σε κίνδυνο, όταν
υπόκεινται σε συγκεκριμένο φυσικό κίνδυνο ή σε συνδυασμό διαφορετικών κινδύνων και
υπολογίζεται με τη χρήση αριθμητικών αναλύσεων των επιλεγμένων στοιχείων. Στις επόμενες
ενότητες, παρουσιάζονται συνοπτικά τα παραπάνω επιμέρους βήματα, από τη σύνθεση των
οποίων προκύπτει τελικά η διακινδύνευση των εκτιθέμενων στοιχείων (γέφυρες και σήραγγες).
2.1 Συναρτήσεις / Καμπύλες τρωτότητας και διαχείριση αβεβαιοτήτων
Ανεξάρτητα από τον τύπο της καταπόνησης, η εκτίμηση της διακινδύνευσης βασίζεται στη
χρήση συναρτήσεων τρωτότητας, που εκφράζουν την πιθανότητα υπέρβασης μιας ορισμένης
στάθμης βλάβης από την εξεταζόμενη κατασκευή ή το εξεταζόμενο σύστημα για ένα δεδομένο
φυσικό κίνδυνο, συναρτήσει της έντασης του κινδύνου αυτού. Σημειώνεται, ότι το επίπεδο
δομικής βλάβης εκφράζεται συνήθως από ένα σύνολο διακριτών σταθμών βλάβης (LS), που
ορίζονται μέσω τιμών (κατωφλίων) μιας παραμέτρου βλάβης (EDP), ενώ η ένταση του φυσικού
κινδύνου εκφράζεται μέσω ενός μέτρου έντασης (IM), όπως για παράδειγμα για το σεισμό
μπορεί να εκφραστεί μέσω της μέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης (PGA). Οι συναρτήσεις
τρωτότητας εκφράζονται συνήθως με τη μορφή καμπύλων (π.χ. Σχήμα 1), που στην ουσία
αποτελούν συναρτήσεις λογαριθμικής σωρευτικής κατανομής:
󰇛 󰇜󰇣
 󰇡
󰇢󰇤 (1)
Σχήμα 1: Παράδειγμα καμπύλης τρωτότητας με επισήμανση των βασικών παραμέτρων της
(Tsinidis et al., 2022)
Σχήμα 1: Example of a fragility curve with notation of relevant parameters (Tsinidis et al., 2022)
όπου: 󰇛󰇜 είναι η πιθανότητα υπέρβασης μιας δεδομένης στάθμης βλάβης , για ένα
δεδομένο επίπεδο σεισμικής έντασης (το τελευταίο εκφράζεται μέσω ενός δείκτη έντασης ),
Φ είναι η τυπική κανονική σωρευτική συνάρτηση,  είναι η διάμεση τιμή κατωφλίου του
μέτρου έντασης, που απαιτείται για να προκληθεί η στάθμη βλάβης και το  είναι η
συνολική τυπική απόκλιση, που περιγράφει αβεβαιότητες που σχετίζονται με τον ορισμό της
συνάρτησης τρωτότητας. Η  υπολογίζεται συνήθως, ως εξής (Argyroudis et al., 2012):


(2)
όπου: είναι η αβεβαιότητα που σχετίζεται με την απόκριση της κατασκευής, είναι η
αβεβαιότητα που σχετίζεται με τη σεισμική απαίτηση και  είναι η αβεβαιότητα που σχετίζεται
με τον ορισμό των σταθμών βλάβης. Οι διαθέσιμές μεθοδολογίες για τη χάραξη των καμπυλών
τρωτότητας, δύναται να κατηγοριοποιηθούν βάσει του τύπου των δεδομένων που
χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό τους, σε εμπειρικές, αναλυτικές και υβριδικές.
Στις περισσότερες αναλυτικές μελέτες που παρουσιάζονται στη βιβλιογραφία, οι αβεβαιότητες
που σχετίζονται με την εκτίμηση τρωτότητας σηράγγων ή γεφυρών, ελήφθησαν σύμφωνα με
την Εξίσωση 2. Πιο συγκεκριμένα, οι αβεβαιότητες που σχετίζονται με την εκτίμηση της
απόκρισης , προσδιορίστηκαν μέσω στατιστικής επεξεργασίας των σετ δεδομένων δείκτη
βλάβης – μέτρου έντασης στο λογαριθμικό χώρο, με τα δεδομένα αυτά να προκύπτουν βάσει
αριθμητικών αναλύσεων των εξεταζόμενων συστημάτων. Για τον ορισμό των αβεβαιοτήτων
που σχετίζονται με τη σεισμική απαίτηση, , ή με τον ορισμό των σταθμών βλάβης, , οι
περισσότερες μελέτες ακολούθησαν τις σχετικές προτάσεις από τους Argyroudis & Pitilakis
(2012).
2.2 Χάρτες πολλαπλής επικινδυνότητας σε φυσικές καταστροφές
Για την υπό μελέτη περιοχή, επιλέγονται προσεκτικά διάφοροι μεμονωμένοι φυσικοί κίνδυνοι
και συνδυασμένα σενάρια φυσικών κινδύνων, τα οποία ιεραρχούνται βάσει της πιθανότητας
πρόκλησης βλαβών στις υποδομές μεταφορών. Αρχικά, κάθε φυσικός κίνδυνος μελετάται
ξεχωριστά, ενώ σε δεύτερη φάση εξετάζεται ο συνδυασμός των δύο ή περισσότερων φυσικών
κινδύνων που έχουν επιλεγεί ως οι πιο κρίσιμοι, προτείνοντας έτσι ένα ενιαίο πλαίσιο για την
εκτίμηση σεναρίων πολλαπλών φυσικών κινδύνων. Τόσο τα μεμονωμένα όσο και τα
πολλαπλά σενάρια φυσικού κινδύνου απεικονίζονται σε χάρτες σε μορφή GIS. Το Σχήμα 2
παρουσιάζει τα κύρια βήματα του προτεινόμενου μεθοδολογικού πλαισίου σε ένα διάγραμμα
ροής. Τα κύρια βήματα του προτεινόμενου μεθοδολογικού πλαισίου είναι:
Βήμα 1: Καθορισμός της εξεταζόμενης περιοχής. Το προτεινόμενο πλαίσιο μπορεί να
εφαρμοστεί σε τοπική, περιφερειακή ή εθνική κλίμακα.
Βήμα 2: Κατάταξη πιθανών φυσικών κινδύνων για την εξεταζόμενη περιοχή με βάση
τη συχνότητα, το μέγεθός τους, καθώς και με τη δυνατότητά τους να προκαλέσουν
ζημιά σε κρίσιμα στοιχεία ενός οδικού δικτύου (π.χ. ζημιές σε γέφυρες και σήραγγες).
Να σημειωθεί ότι στο πλαίσιο του INFRARES που αφορά στο εθνικό οδικό δίκτυο, ως
κρισιμότεροι φυσικοί κίνδυνοι, θεωρήθηκαν ο σεισμός και η πλημμύρα, λόγω της
επίδρασής τους σε γέφυρες και σήραγγες.
Βήμα 3: Αξιολόγηση κάθε επιλεγμένου φυσικού κινδύνου, ως μεμονωμένο σενάριο,
βάσει της πιθανότητας εμφάνισης και της σοβαρότητάς του.
Βήμα 4: Προσδιορισμός των μοντέλων πολλαπλών φυσικών κινδύνων για διάφορες
πιθανές εντάσεις και διάφορες περιόδους επαναφοράς. Δημιουργία σεναρίων
πολλαπλών φυσικών κινδύνων και σχετικών χαρτών σε μορφή GIS για την αξιολόγηση
των εξεταζόμενων οδικών δικτύων.
Περισσότερες λεπτομέρειες για την προτεινόμενη μεθοδολογία παρουσιάζονται στην
εργασία των Karatzetzou et al. (2022). Ενδεικτικά, το Σχήμα 3 παρουσιάζει μια εφαρμογή της
μεθοδολογίας στην Ελλάδα για συγκεκριμένα σενάρια κίνδυνων. Συγκεκριμένα, παρουσιάζεται
χάρτης δύο μεταβλητών που απεικονίζει τον συνδυασμό σεισμικού και πλημμυρικού κινδύνου
για την Ελλάδα, για περιόδους επαναφοράς Tms = 475 έτη και Tmf = 100 έτη για τον σεισμικό
και τον κίνδυνο πλημμύρας, αντίστοιχα.
Σχήμα 2. Τα βήματα της προτεινόμενης μεθοδολογίας για την εκτίμηση της επικινδυνότητας
για πολλαπλούς φυσικούς κινδύνους (multi-hazard model).
Figure 2. The steps of the proposed methodology to estimate the hazard model for multiple
natural hazards.
Σχήμα 3. Xάρτης δύο μεταβλητών που απεικονίζει τον συνδυασμό σεισμικού και πλημμυρικού
κινδύνου για την Ελλάδα (αποτελέσματα για περιόδους επαναφοράς Tms = 475 έτη και Tmf =
100 έτη για τον σεισμικό και τον κίνδυνο πλημμύρας, αντίστοιχα).
Figure 3. Bivariate map illustrating the combination of seismic and flood hazard for Greece
(results for return periods Tms = 475 years and Tmf = 100 years for seismic and flood hazard,
respectively).
2.3 Σεισμική διακινδύνευση γεφυρών
Για την αποτίμηση της τρωτότητας των γεφυρών έναντι σεισμικού και πλημμυρικού κινδύνου,
πραγματοποιείται αρχικά ένας συνδυασμός των μεθοδολογιών που παρουσιάζονται για
μεμονωμένα συμβάντα (Σχήμα 4). Για την εξαγωγή καμπυλών τρωτότητας του συστήματος
εδάφους - γέφυρας, αναπτύσσονται διάφορα σενάρια μη συσχετισμένων (ασυσχέτιστων
χρονικά) συμβάντων των εξεταζόμενων κινδύνων. Θα πρέπει να τονιστεί ότι τα γεγονότα
εφαρμόζονται διαδοχικά το ένα μετά το άλλο στο ίδιο κάθε φορά σύστημα και, ως εκ τούτου,
λαμβάνεται υπόψη η σωρευτική βλάβη στο σύστημα, λόγω και των δύο συμβάντων. Όλα τα
παραπάνω απεικονίζονται στο διάγραμμα ροής του Σχήματος 4. Τα καινοτόμα στοιχεία της
προτεινόμενης μεθοδολογίας για την εκτίμηση της τρωτότητας γεφυρών σε περιβάλλον
πολλαπλών κινδύνων συνοψίζονται παρακάτω: i) Οι στάθμες βλάβης ορίζονται ποσοτικά με
βάση τις καμπύλες ικανότητας (capacity curves), οι οποίες προκύπτουν από αριθμητικές
στατικές ανελαστικές αναλύσεις σε ένα πλήρως ανελαστικό σύστημα μεσοβάθρων/πασσάλων,
λαμβάνοντας υπόψη τη βλάβη τόσο των μεσοβάθρων όσο και των πασσάλων όσο και
διαφορετικές μορφές αστοχίας. ii) Οι πιθανές βλάβες στο σύστημα της θεμελίωσης (βαθιά
θεμελίωση με πασσάλους) λαμβάνονται υπόψη τόσο στην απαίτηση όσο και στην φέρουσα
ικανότητα του συστήματος. iii) Η προτεινόμενη μεθοδολογία είναι εφαρμόσιμη ανεξάρτητα από
τη σειρά και τη χρονική συσχέτιση των γεγονότων που μελετώνται (σεισμός & πλημμύρα,
πλημμύρα & πλημμύρα, πλημμύρα & σεισμός κ.λπ.).
α)
β)
γ)
Σχήμα 4. α) Εξαγωγή καμπυλών τρωτότητας γεφυρών έναντι σεισμού (seismic fragility curves)
μέσω ανελαστικών αριθμητικών αναλύσεων στο πεδίο του χρόνου (inelastic time history
analyses). β) Εξαγωγή καμπυλών τρωτότητας γεφυρών έναντι πλημμύρας (flood fragility
curves) μέσω ανελαστικών αριθμητικών αναλύσεων στο πεδίο του χρόνου (inelastic time
history analyses. γ) Μεθοδολογία αποτίμησης της τρωτότητας γεφυρών σε περιβάλλον
πολλαπλών φυσικών κινδύνων (σεισμός και πλημμύρα).
Figure 4. a) Derivation of seismic fragility curves of bridges through inelastic time history
analyses. b) Derivation of flood fragility curves through inelastic time history analyses. c) Bridge
vulnerability assessment methodology in an environment of multiple natural hazards
(earthquake and flood).
2.4 Σεισμική διακινδύνευση σηράγγων
Στο πλαίσιο του ερευνητικού έργου INFRARES αναπτύσσεται μια αριθμητική μεθοδολογία για
την εξαγωγή αναλυτικών συναρτήσεων τρωτότητας σηράγγων σε μαλακούς εδαφικούς
σχηματισμούς που υπόκεινται σε σεισμική ταλάντωση στην εγκάρσια έννοια. Βασικός στόχος
της προτεινόμενης μεθοδολογίας είναι μέσω μιας σειράς αριθμητικών παραμετρικών
αναλύσεων να προσδιοριστεί η τρωτότητα διαφόρων τύπων σηράγγων, λαμβάνοντας υπόψη,
μεταξύ άλλων, την ανελαστική συμπεριφορά της σήραγγας και του εδάφους, την
αλληλεπίδραση εδάφους-κατασκευής αλλά και φαινόμενα γήρανση της επένδυσης της
σήραγγας (π.χ. λόγω διάβρωσης). Μετά την επιλογή των υπό εξέταση συστημάτων σήραγγας-
εδάφους και την επιλογή των κινήσεων του εδάφους που θα χρησιμοποιηθούν στην
παραμετρική ανάλυση, τα κύρια βήματα της μεθοδολογίας (Σχήμα 5) αφορούν: (α) στον
προσδιορισμό της αντοχής και των σταθμών βλάβης της σήραγγας και (β) στην εκτίμηση της
απόκρισης και της σεισμικής απαίτησης της σήραγγας (π.χ. εκτίμηση του αναπτυσσόμενου
επίπεδου βλάβης της σήραγγας) για τις επιλεγμένες σεισμικές κινήσεις. Για τον προσδιορισμό
της αντοχής και των σταθμών βλάβης της σήραγγας, προτείνονται ανελαστικές στατικές
αναλύσεις pushover του επιλεγμένων συστημάτων σήραγγας-εδάφους, ενώ η εκτίμηση της
απόκρισης της σήραγγας γίνεται μέσω μη γραμμικών δυναμικών αναλύσεων των επιλεγμένων
συστημάτων. Μέσω της ανάλυσης για διάφορα συστήματα σήραγγας-εδάφους προκύπτουν
νέες καμπύλες τρωτότητας τόσο για μεμονωμένα σεισμικά συμβάντα, όσο και για περιπτώσεις
δύο διαδοχικών (χρονικά ανεξάρτητων) σεισμικών συμβάντων.
Σχήμα 5. Μεθοδολογία αποτίμησης της τρωτότητας σηράγγων έναντι σεισμικής ταλάντωσης.
Figure 5. Analytical framework for the vulnerability assessment of tunnels subjected to ground
seismic shaking.
3. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Η παρούσα εργασία συνοψίζει μεθοδολογίες που αναπτύσσονται στο πλαίσιο του ερευνητικού
προγράμματος INFRARES, το οποίο έχει ως τελικό στόχο στην πρόταση μιας μεθοδολογίας
για την εκτίμηση της επικινδυνότητας της ανθεκτικότητας γεφυρών και σηράγγων οδικών
δικτύων στην Ελλάδα έναντι διαφόρων μεμονωμένων ή πολλαπλών φυσικών κινδύνων.
4. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ
Το ερευνητικό έργο INFRARES (www.infrares.gr) υποστηρίχτηκε από το Ελληνικό Ίδρυμα
Έρευνας και Καινοτομίας (ΕΛ.ΙΔ.Ε.Κ.) στο πλαίσιο της Δράσης «2η Προκήρυξη ερευνητικών
έργων ΕΛ.ΙΔ.Ε.Κ. για την ενίσχυση Μεταδιδακτορικών Ερευνητών/τριών» (Αριθμός Έργου:
927).
5. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
Argyroudis, S., Pitilakis, K. (2012), Seismic fragility curves of shallow tunnels in alluvial
deposits. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 2012; 35: 1-12.
Argyroudis, S., Tsinidis, Γ., Gatti, F. and Pitilakis K. (2017), Effects of SSI and lining corrosion
on the seismic vulnerability of shallow circular tunnels. Soil Dynamics and Earthquake
Engineering, 98, 244-256, 2017.
Gehl, P. and D’Ayala D. (2018), System loss assessment of bridge networks accounting for
multi-hazard interactions. Structure and Infrastructure Engineering, 2479, 117, 2018.
Karatzetzou, A., Stefanidis, S., Stefanidou, S., Tsinidis, G., Pitilakis D. (2022). Unified hazard
models for risk assessment of transportation networks in a multi-hazard environment.
International Journal of Disaster Risk Reduction, Volume 75, 2022, 102960, ISSN 2212-
4209, https://doi.org/10.1016/j.ijdrr.2022.102960.
Lee, Jaebeom, Lee, Young-Joo, Kim, Hyunjun, Sim, Sung-Han, and Kim, Jin-Man (2016), “A
New Methodology Development for Flood Fragility Curve Derivation Considering Structural
Deterioration for Bridges.” Smart Structures and Systems 17, no. 1: 14965.
doi:10.12989/SSS.2016.17.1.149.
Mazzoni, S., McKenna, F., Fenves, G.L. (2006), “Open system for earthquake engineering
simulation user manual (Version 1.6.2)”. Pacific Earthquake Engineering Research Center,
University of California, Berkeley, California.
Stefanidou, S. and Kappos, A. (2017), Methodology for the development of bridge-specific
fragility curves. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 46, 73-93.
Tsinidis, G., De Silva, F., Anastasopoulos, I., Bilotta, E., Bobet, A., Hashash, Y.M.A., He, C.,
Kampas, G., Knappett, J., Madabhushi, G., Nikitas, N., Pitilakis, K., Silvestri, F., Viggiani,
G., Fuentes, R. (2020), Seismic behavior of tunnels: From experiments to analysis.
Tunnelling and Underground Space Technology, 99, 103334, 2020.
Tsinidis G, Karatzetzou A, Stefanidou S, Markogiannaki O. (2022), Developments in seismic
vulnerability assessment of tunnels and underground structures. Geotechnics 2022; 2(1):
209-249.
ResearchGate has not been able to resolve any citations for this publication.
Article
Full-text available
Underground structures are being constructed at an increasing rate in seismic prone areas, to facilitate the expanding needs of societies. Considering the vital role of this infrastructure in densely populated urban areas and interurban transportation networks, as well as the significant losses associated with potential seismically induced damage, its assessment against seismic hazard is of great importance for stakeholders, operators, and governmental bodies. This paper presents a state-of-the-art review of current developments in the assessment of seismic vulnerability of tunnels and underground structures. Methods for the development of fragility functions for the assessment of bored tunnels in rock or alluvial, and cut and cover tunnels and subways in alluvial, against ground seismic shaking and earthquake-induced ground failures are presented. Emphasis is placed on the estimation of the capacity of the examined structures, the selection of appropriate intensity measures to express seismic intensity, the development of rational probabilistic seismic demand models and the estimation of epistemic and aleatoric uncertainties, related to the seismic fragility of underground structures. Through the discussion, acknowledged gaps in the relevant literature are highlighted.
Article
Full-text available
The paper presents a state-of-the-art review of the current understanding of the seismic behaviour of tunnels. Emphasis is placed on recorded responses of actual tunnels during past earthquakes, as well as relevant experimental studies. In particular, the observed seismic performance of tunnels is initially discussed, by providing cases of reported damage during past earthquakes. This is followed by a review of the current monitoring systems for this infrastructure, which can be used to create future case studies based on actual recordings of the seismic response. Subsequently, the paper provides a summary of relevant experimental studies that took place in the centrifuge or on shaking tables, followed by a short discussion of current analytical models, simplified methods and numerical schemes for the seismic analysis and vulnerability assessment of tunnels. Throughout the presentation, the current overall gaps in understanding the seismic response of tunnels are identified in an attempt to stimulate further work in these areas by the research community.
Article
Full-text available
This paper details an integrated method for the multi-hazard risk assessment of road infrastructure systems exposed to potential earthquake and flood events. A harmonisation effort is required to reconcile bridge fragility models and damage scales from different hazard types: this is achieved by the derivation of probabilistic functionality curves, which express the probability of reaching or exceeding a loss level given the seismic intensity measure. Such probabilistic tools are essential for the loss assessment of infrastructure systems, since they directly provide the functionality losses instead of the physical damage states. Multi-hazard interactions at the vulnerability level are ensured by the functionality loss curves, which result from the assembly of hazard-specific fragility curves for local damage mechanisms. At the hazard level, the potential overlap between earthquake and flood events is represented by a time window during which the effects of one hazard type on the infrastructure may still be present: the value of this temporal parameter is based on the repair duration estimates provided by the functionality loss curves. The proposed framework is implemented through Bayesian Networks, thus enabling the propagation of uncertainties and the computation of joint probabilities. The procedure is demonstrated on a bridge example and a hypothetical road network.
Article
Full-text available
Floods have been knownto be one of the main causes of bridge collapse. Contrary to earthquakes, flood events tend to occur repeatedly and more frequently in rainfall areas; flood-induced damage and collapse account for a significant portion of disasters in many countries. Nevertheless, in contrast to extensive research on the seismic fragility analysis for civil infrastructure, relatively littleattention has been devoted to the flood-related fragility. The presentstudy proposes a novel methodology for deriving flood fragility curves for bridges. Fragility curves are generally derived by means of structural reliability analysis, and structural failure modes are defined as excessive demands of the displacementductilityof a bridge under increased water pressure resulting fromdebris accumulationand structural deterioration, which are known to be the primary causes of bridge failures during flood events. Since these bridge failure modes need to be analyzed through sophisticated structural analysis, flood fragility curve derivation that would require repeated finite element analyses may take a long time. To calculate the probabilityof flood-induced failure of bridges efficiently, in the proposed framework, the first order reliability method (FORM) is employed for reducing the required number of finite element analyses. In addition, two software packages specialized for reliability analysis and finite element analysis, FERUM (Finite Element Reliability Using MATLAB)and ABAQUS, are coupled so that they can exchange their inputs and outputs during structural reliability analysis, and aPython-based interface for FERUM and ABAQUSis newly developed to effectively coordinate the fragility analysis. The proposed frameworkof flood fragility analysisis applied to an actual reinforcedconcrete bridge in South Korea to demonstrate the detailed procedure of theapproach.
Article
Transportation networks play a vital role in the economic prosperity of modern societies. Recent hazardous events in Greece, for instance, the 2021 Crete earthquake, the 2021 Thessaly earthquakes and floods, and the heavy 2019 rainfall in Crete, have revealed the vulnerability of roadway networks to natural hazards, resulting in severe physical damage and important economic and societal losses. Severe damage on bridges and tunnels of roadway networks is commonly related to the effects of multiple hazards that may act independently during their life span. However, the literature on risk assessment of the above elements commonly focuses on the effects of a single hazard, disregarding the effects of various hazards in a multi-hazard environment. In this context, there is an increasing need for a reasonable and practical evaluation of the multi-hazard risk of transportation infrastructure. Research project INFRARES (https://www.infrares.gr/) aspires to gain further insight into the risk and resilience assessment of bridges and tunnels subjected to independent and/or multiple subsequent natural hazards, proposing a comprehensive framework toward a more efficient risk assessment of the above critical transportation infrastructure components. This paper presents the first part of the framework. More specifically, a unified methodology for the development and graphic presentation of single seismic- and flood-hazard scenarios, as well as of novel multi-seismic-flood hazard scenarios, are presented, providing a valuable tool for risk assessment of roadway networks for separate, combined (triggered), or subsequent hazards. The unified approach followed to develop single seismic and flood hazard scenarios is initially presented. The data required to develop such scenarios are derived from recently published and freely available data accessible via European databases; hence, allowing for a straightforward application of the proposed methodology throughout Europe. The unified approach in developing single hazard scenarios is further exploited to develop integrated seismic-flood hazard scenarios. Single and multi-hazard scenarios are graphically displayed in the form of GIS format maps, with the methodology being applied to the Greek terrain for various hazard scenarios. Recent hazard events that caused significant damage to the Greek road network are also presented to emphasize the importance of proper evaluation of natural hazards and their effects on roadway networks in multi-hazard environments. The methodology developed within this study contributes toward the generation of uniform multi-hazard scenarios for the risk assessment of various structures and networks in a multi-hazard environment.
Article
The paper presents a numerical approach for the construction of seismic fragility curves for shallow metro tunnels considering the soil-structure-interaction (SSI) and the aging effects due to corrosion of the lining reinforcement. The tunnel response under ground shaking is evaluated through 2D non-linear dynamic analyses, for increasing levels of seismic intensity. An elasto-plastic model is used to simulate the soil non-linear behavior under ground shaking, while the effects of lining mechanical properties, soil conditions and ground motion characteristics are also accounted for. The effect of corrosion on the lining behavior is encountered through proper modification of the lining strength properties. Damage state thresholds are defined based on the exceedance of the lining capacity. The fragility curves are estimated in terms of peak ground acceleration at the ground free field conditions for different time periods considering the associated uncertainties. The proposed approach is applied for the fragility assessment of selected soil-tunnel configurations. The derived fragility functions are compared with existing empirical and analytical fragility models, highlighting the important role of soil conditions and corrosion effects in the vulnerability of tunnel structures. The proposed fragility models contribute towards an advanced vulnerability and risk assessment of transportation systems and infrastructures.
Article
A new methodology for the development of bridge-specific fragility curves is proposed 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 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.
Article
In this paper a numerical approach is proposed for the construction of fragility curves for shallow metro tunnels in alluvial deposits, when subjected to transversal seismic loading. The response of the tunnel is calculated under quasi static conditions applying the induced seismic ground deformations which are calculated through 1D equivalent linear analysis for an increasing level of seismic intensity. The results of the present numerical analyses are compared with selected closed form solutions, highlighting the limitations of the latter, while indicative full dynamic analysis are performed in order to validate the results of the quasi-static method. The proposed approach allows the evaluation of new fragility curves considering the distinctive features of the tunnel geometries and strength characteristics, the input motion and the soil properties as well as the associated uncertainties. The comparison between the new fragility curves and the existing empirical ones highlights the important role of the local soil conditions, which is not adequately taken into account in the empirical curves.
Open system for earthquake engineering simulation user manual (Version 1.6.2)
  • S Mazzoni
  • F Mckenna
  • G L Fenves
Mazzoni, S., McKenna, F., Fenves, G.L. (2006), "Open system for earthquake engineering simulation user manual (Version 1.6.2)". Pacific Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley, California.