Reliability analysis of deteriorating structures

Management of infrastructure networks is a fundamental issue in the organization of a territory because transportation is crucial for the welfare of its economy and its people. Within a network, bridges are critical elements as they usually represent bottlenecks in the traffic flow and are the most vulnerable elements. In addition, in last years the increase in traffic demand and aging have caused an increment of the deterioration rate in these structures, while budget items allocated to their conservation decreased. Consequently, bridge management has evolved in the past years in order to increase its efficiency, and new instruments have been developed to prioritize the interventions on bridges reducing the costs but maintaining proper service levels. These tools are generally integrated in Bridge Management Systems, which are tools that allow to systematize the procedures needed to manage a road bridge network. Specifically, the thesis aims to illustrate the most important features of modern Bridge Management Systems, with particular reference to the implementation of the reliability theory which allow the assessment of the condition of the structures. The first chapter describes the functionalities of Bridge Management Systems and the different approaches that different Countries and Administrations have developed to face the bridge management problem according to their own needs and policies. A general overview of the most advanced features is given in the form of what a modern Bridge Management System should include. The second chapter of this thesis focuses on the probabilistic evaluation of the condition of a single structure and the different maintenance strategies to establish which structural elements should be considered first, emphasizing the importance of the total cost in the chosen strategy. Subsequently, the concept of network reliability is introduced and illustrated in the third chapter. In particular, maintenance strategies are generalised to take into account different conditions a system may have depending on the deterioration levels of each component, highlighting the corresponding cost models. The methodology is finally applied to parallel and mixed series-parallel systems characterized by different damage scenarios and degree of redundancy, to evaluate the reliability index of each component and of the entire system.

La gestione della rete infrastrutturale riveste un ruolo fondamentale nell’organizzazione di un territorio, in quanto il trasporto di persone, beni e merci rappresenta un aspetto cruciale delle attività economiche e del benessere della comunità. Nonostante una rete stradale sia costituita da diversi elementi, i ponti costituiscono la componente maggiormente vulnerabile, e normalmente rappresentano i punti di rallentamento del flusso di traffico. Inoltre, negli ultimi anni l’incremento della domanda di traffico e l’invecchiamento dei manufatti stradali ha condotto ad un aumento del tasso di danneggiamento delle strutture; contemporaneamente, la disponibilità di risorse economiche per la loro manutenzione è stata ridotta. Di conseguenza, il processo di gestione dei ponti ha subito un’evoluzione negli ultimi anni allo scopo di incrementare la sua efficienza, e nuovi strumenti sono stati sviluppati per una corretta definizione della sequenza di interventi da condurre, riducendo i costi ma al tempo stesso mantenendo opportuni livelli di funzionamento. Questi strumenti sono generalmente integrati nei sistemi di gestione dei ponti, in seguito definiti BMS, in grado di sistematizzare le procedure necessarie ad un’efficace amministrazione di una rete stradale. Nello specifico, la tesi illustra le caratteristiche peculiari dei moderni sistemi di gestione dei ponti, con particolare riferimento all’implementazione della teoria dell’affidabilità strutturale, che permette la valutazione dello stato di servizio delle componenti di una rete o di un sistema generico, tenendo in considerazione anche l’eventuale decadimento delle prestazioni a seguito dei processi di danneggiamento legati all’aggressività ambientale. Il lavoro di tesi è così suddiviso: il primo capitolo descrive le funzionalità dei sistemi di gestione dei ponti, mostrando i diversi approcci presenti in letteratura che sono stati sviluppati dai diversi Paesi. Si fornisce anche una panoramica sulle funzionalità più avanzate che tutti i moderni sistemi di gestione dovrebbero possedere. Il secondo capitolo illustra la valutazione probabilistica dello stato di una generica struttura e le diverse strategie di manutenzione disponibili in letteratura al fine di stabilire una lista di priorità di intervento, con enfasi sui costi associati a ciascuna strategia. Il terzo capitolo è dedicato al concetto di affidabilità strutturale, sia del singolo elemento sia di un generico sistema. Sulla base di tale concetto, le strategie di manutenzione prima introdotte vengono generalizzate al fine di considerare i diversi livelli di servizio che un sistema è in grado di offrire in funzione del grado di danneggiamento dei diversi componenti. La metodologia presentata è quindi applicata a diversi sistemi strutturali caratterizzati da elementi disposti in parallelo e sistemi misti serie/parallelo caratterizzati da diversi scenari di degrado e grado di ridondanza, al fine di valutare l’indice di affidabilità di ogni componente e dell’intero sistema.