Risk and resilience assessment of highways under multiple natural hazards

Abstract

One of the greatest challenges the road operators are facing today is the safe operation of road infrastructure networks as well as their rapid inspection and efficient recovery after catastrophic events. To this scope, the assessment of road infrastructure networks under natural hazards has attracted significant research interest; however, establishing a practical approach for multi-hazard risk and resilience assessment of critical infrastructure networks that is capable of quantifying the follow-up to a failure at every step of a system’s recovery back to full functionality, remains a challenge. In order to address this need, we propose the HAPPI multi-hazard risk and resilience assessment framework that integrates a comprehensive database of discrete event simulation results with real-time sensor information to offer a holistic tool for pre-event assessment and rapid post-event inspection of critical infrastructure under multiple hazards. In our case, the HAPPI framework is employed in the context of road infrastructure networks and is demonstrated via two case studies, i.e., the Metsovo-Panagia segment of the Egnatia highway in Greece, with emphasis on the seismic and wind hazard, and the Taracena-Medinaceli segment of the A2 highway in Spain, with emphasis on the wind hazard. The HAPPI framework utilizes multiple hazard and damage/loss scenarios, thus enabling rapid damage and consequence identification. To enhance the assessment resolution, a component-based approach is adopted for the critical highway assets that allows evaluating damage scenarios for individual structural components (such as piers and bearings of a bridge) and propagate them to assess the asset-level performance. For less influential assets, an asset-level treatment is followed to directly quantify damage and consequences at the global level of the entire structure. The asset interdependencies are then considered to assess the system-level consequences, which are quantified in terms of repair losses, downtime, and actions that the road operator shall take until repair actions have finished, i.e., close any lanes and/or reduce the speed limit in the open ones. Overall, the proposed methodology comprises a unique approach for multi-hazard risk and resilience assessment of critical infrastructure networks. It allows tracing back the consequences after an event to individual components/assets and can help road operators establish inspection prioritization protocols and manage associated incidents, facilitating the rapid assessment of the state of the highway and optimal recovery to full functionality. The outcomes aim to be integrated into holistic decision support tools that can facilitate informed decisions of the stakeholders before and after potentially catastrophic events and can help the road operators efficiently inspect, maintain, and safely operate road infrastructure networks, efficiently mitigating and managing risks.

Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι διαχειριστές των αυτοκινητοδρόμων σήμερα είναι η ασφαλής λειτουργία του αυτοκινητόδρομου καθώς και η γρήγορη και αποτελεσματική επιθεώρηση και ταχεία επιστροφή του στην κανονικότητα μετά από ένα καταστροφικό συμβάν. Για το σκοπό αυτό, η αποτίμηση αναταξιμότητας δικτύων αυτοκινητοδρόμων υπό πολλαπλούς παράγοντες φυσικής επικινδυνότητας έχει προκαλέσει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον. Ωστόσο, η ανάπτυξη ενός πρακτικού πλαισίου που μπορεί να ποσοτικοποιήσει κάθε στάδιο κατά την ανάκαμψη μετά από μία καταστροφή παραμένει πρόκληση. Προκειμένου να αντιμετωπιστεί αυτή η ανάγκη, προτείνεται το πλαίσιο HAPPI που επιτρέπει την αποτίμηση διακινδύνευσης και αναταξιμότητας κρίσιμων υποδομών υπό πολλαπλούς παράγοντες φυσικής επικινδυνότητας. Το πλαίσιο αυτό ενσωματώνει μία ολοκληρωμένη βάση δεδομένων με αποτελέσματα προσομοίωσης διακριτών συμβάντων που προσομοιώνουν τις πηγές επικινδυνότητας καθώς και μετρήσεις αισθητήρων, προσφέροντας ένα ολιστικό εργαλείο που επιτρέπει την αποτίμηση διακινδύνευσης και αναταξιμότητας των κρίσιμων υποδομών τόσο πριν όσο και μετά από κάποιο συμβάν, επιτρέποντας έτσι τη γρήγορη και αποτελεσματική επιθεώρηση και επιστροφή τους στην κανονικότητα. Στην περίπτωση μας, το πλαίσιο HAPPI εφαρμόζεται σε δίκτυα αυτοκινητοδρόμων και συγκεκριμένα στο τμήμα Μέτσοβο-Παναγιά της Εγνατίας Οδού στην Ελλάδα με έμφαση στη σεισμική επικινδυνότητα και την επικινδυνότητα λόγω ανέμου, καθώς και στο τμήμα Taracena-Medinaceli του αυτοκινητοδρόμου Α2 στην Ισπανία, με έμφαση στην επικινδυνότητα λόγω ανέμου. Το πλαίσιο HAPPI αξιοποιεί πολλαπλά σενάρια επικινδυνότητας και ζημιάς/απωλειών για τις κρίσιμες κατασκευές, επιτρέποντας έτσι το γρήγορο προσδιορισμό των ζημιών/απωλειών που σχετίζονται με ένα καταστροφικό συμβάν. Για να βελτιωθεί η ανάλυση των αποτελεσμάτων, για τις κρίσιμες κατασκευές ακολουθείται ανάλυση σε επίπεδο στοιχείων κατασκευής που επιτρέπει τη δημιουργία σεναρίων ζημιών/απωλειών που σχετίζονται με τα επιμέρους στοιχεία (π.χ. τα βάθρα ή τα εφέδρανα μίας γέφυρας). Για τις λιγότερο κρίσιμες κατασκευές, ακολουθείται ανάλυση σε επίπεδο κατασκευής, δημιουργώντας σενάρια ζημιών/απωλειών για την κατασκευή συνολικά. Οι αλληλεξαρτήσεις μεταξύ των διαφόρων κατασκευών λαμβάνονται υπόψη για την εκτίμηση των συνεπειών για τον αυτοκινητόδρομο, οι οποίες ποσοτικοποιούνται σε όρους κόστους και χρόνου αποκατάστασης βλαβών καθώς και του αριθμού λωρίδων κυκλοφορίας που χρειάζεται να κλείσουν ή/και ταχύτητα κυκλοφορίας στις ανοιχτές λωρίδες μέχρι την αποκατάσταση των βλαβών. Η προτεινόμενη μεθοδολογία προσφέρει τη δυνατότητα αποτίμησης διακινδύνευσης και αναταξιμότητας κρίσιμων υποδομών υπό πολλαπλούς παράγοντες φυσικής επικινδυνότητας. Επιτρέπει μάλιστα τον προσδιορισμό των βλαβών και συνεπειών σε επίπεδο στοιχείου κατασκευής ή ολόκληρης κατασκευής μετά από καταστροφικό συμβάν και μπορεί να βοηθήσει τους διαχειριστές του αυτοκινητοδρόμου να ιεραρχήσουν τις επιθεωρήσεις τους διευκολύνοντας την ταχεία αξιολόγηση της κατάστασης του αυτοκινητόδρομου και τη βέλτιστη αποκατάσταση του σε πλήρη λειτουργία μετά το συμβάν. Το αναπτυχθέν εργαλείο μπορεί να εφαρμοστεί σε σύγχρονα συστήματα υποβοήθησης λήψης αποφάσεων πριν και μετά από καταστροφικά συμβάντα, βοηθώντας τους διαχειριστές του αυτοκινητοδρόμου στην αποτελεσματική επιθεώρηση, συντήρηση, και ασφαλή λειτουργία των αυτοκινητόδρομων καθώς και στην αποτελεσματικότερη μετρίαση και διαχείριση των κινδύνων.