Structural integrity and robustness of deteriorating systems

In structural design the concept of robust structures, or damage-tolerant structures, is often an issue of controversy, since there are no well established and generally accepted criteria for a consistent definition and a quantitative measure of structural robustness. Moreover, robustness evaluations are usually related to damage suddenly provoked by accidental actions, like explosion or impacts. However, damage could also arise slowly in time from aging of structures, as induced for example by environmental aggressive agents. In this context, it is of great interest to develop suitable life-cycle measures of structural robustness with respect to a continuous deterioration of the structural performance. Moreover, in robustness evaluations it may be crucial to quantify the severity of a structural failure with regards to its consequences. In fact, the global collapse of the structural system should be considered much more important than the local collapse of a single member or a portion of structure. In this paper, a general approach to robustness assessment of structural systems undergoing damage is presented. Damage is described by means of a dimensionless index associated with prescribed patterns of cross-sectional continuous deterioration. The loss of structural performance induced by damage are then studied in order to formulate dimensionless measures of structural robustness. An index of structural integrity is also defined to quantify the severity of local failures with respect to the consequences that can propagate throughout the structure. The effectiveness of the proposed approach is shown through the application to structural integrity and robustness assessment of trusses, and frame systems, and arch bridges under continuous deterioration.

Nella progettazione strutturale il concetto di strutture robuste, o strutture resistenti al danneggiamento, è spesso un argomento dibattuto, poiché non ci sono criteri ben stabiliti e generalmente accettati e non si dispone di una definizione consistente di robustezza che consenta valutazioni quantitative. Inoltre, le valutazioni di robustezza sono solitamente correlate a danni provocati in modo subitaneo da azioni accidentali, come esplosioni o impatti. Tuttavia, il danneggiamento delle strutture potrebbe anche verificarsi lentamente nel tempo, ad esempio per effetto dell'invecchiamento di materiali e componenti e/o esposizione ad agenti aggressivi ambientali. In questo contesto, è di grande interesse sviluppare misure adeguate robustezza strutturale nel ciclo di vita espresse in funzione di un deterioramento continuo delle prestazioni strutturali. Inoltre, nelle valutazioni di robustezza può essere cruciale quantificare la gravità di un collasso strutturale in relazione alle sue conseguenze. Infatti, il collasso globale del sistema strutturale dovrebbe essere considerato molto più importante del collasso locale di un singolo elemento o di una porzione di struttura. In questa tesi viene presentato un approccio mirato alla valutazione della robustezza strutturale delle strutture sottoposte a danneggiamento. Il danneggiamento è descritto mediante un indice adimensionale associato a prescritti modelli di deterioramento continuo delle sezioni trasversali. Dunque, le riduzioni delle prestazioni strutturali indotte dal danneggiamento vengono studiate per formulare misure adimensionali di robustezza strutturale. Inoltre, viene definito un indice di integrità strutturale per quantificare l'entità delle conseguenze relative alle crisi locali che possono propagarsi nella struttura. L'efficacia dell'approccio proposto è illustrata attraverso alcune applicazioni riguardanti la valutazione della robustezza strutturale di strutture reticolari, strutture a telaio e ponti ad arco esposti a degrado progressivo.