Structural analysis of cable-stayed bridges under cable corrosion

The thesis is devoted to large displacement nonlinear analysis of cable-stayed concrete bridges under cable corrosion. The proposed formulation accounts for the main sources of non-linearity that characterize the structural response of cable-supported systems, including geometrical non-linearity associated with large displacements and material non-linearity related to the constitutive laws of the materials. The modelling of the corrosion processes of the stays is based on a corrosion propagation front that, starting from a breaking point on the protective sheath, spreads inside the cable section through subsequent wire layers. The proposed formulation for nonlinear analysis and corrosion damage modelling is implemented in a general finite element framework that is validated by means of several benchmarks related to nonlinear elastic truss and frame systems and reinforced concrete beams. The effectiveness of the proposed approach is demonstrated through several applications to prestressed concrete cable-stayed bridges under cable corrosion. The role of the suspension system is investigated considering fan, semifan, and harp arrangements of the stays. The results of the nonlinear analysis of the undamaged bridges are discussed and compared with other solutions presented in literature. The time-variant structural performance of the bridges is hence evaluated considering different cable corrosion scenarios in order to identify the most critical components of the suspension systems. To this purpose, different damage measures are introduced and related to the corresponding loss of load carrying capacity in order to assess the structural robustness of the deteriorating cable-stayed bridges.

Il presente lavoro di tesi è dedicato all’analisi non lineare di ponti strallati soggetti alla corrosione dei cavi di sospensione. La formulazione proposta considera le principali fonti di non linearità che caratterizzano la risposta strutturale di questo tipo di sistemi, tra le quali la non linearità geometrica associata a grandi spostamenti e la non linearità meccanica, relativa alle leggi costitutive dei materiali. La modellazione dei processi di corrosione che coinvolgono gli stralli è basata su una descrizione del fronte di corrosione che, partendo da un punto di rottura del rivestimento protettivo, si propaga all’interno della sezione del cavo attraverso i successivi strati di fili. La formulazione dell’analisi non lineare e la modellazione del degrado da corrosione sono state implementate in un codice generale di analisi per elementi finiti e validate mediante numerosi casi prova relativi all’analisi elastica non lineare di sistemi reticolari e strutture a telaio e all’analisi non lineare di travi in calcestruzzo armato. L’efficacia dell’approccio proposto viene mostrata mediante l’applicazione a ponti strallati in calcestruzzo armato precompresso soggetti alla corrosione dei cavi. Il ruolo del sistema di sospensione viene studiato considerando gli stralli disposti secondo le configurazioni a ventaglio, a semi-ventaglio e ad arpa. I risultati dell’analisi non lineare svolta sui ponti in assenza di corrosione vengono confrontati con alcune soluzioni proposte in letteratura. Si studia infine l’evoluzione nel tempo delle prestazioni strutturali dei ponti considerando diversi scenari di corrosione, in modo da individuare i componenti più critici del sistema di sospensione. Vengono in particolare definite diverse misure di danno strutturale che confrontate con le corrispondenti perdite di capacità portante consentono di quantificare la robustezza strutturale dei ponti soggetti alla corrosione dei cavi.