Life-cycle reliability of aging structures under climate change

Structural systems are subjected to detrimental processes such as environmental aging and mechanical deterioration. In this context, large stocks of existing structures and infrastructures have already shown significant deterioration as well as structural deficiencies that necessitate considerable investments for maintenance interventions. Therefore, the lifetime performance assessment of deteriorating systems is crucial particularly concerning strategic structures as bridges and infrastructure networks, which are among the most critical lifelines for communities. Furthermore, the long-term evolution of the environmental conditions investigated by climatologists and natural scientists may have a significant impact in exacerbating the detrimental hazards that affect the built environment. Nonetheless, future climate scenarios are significantly influenced by expected socio-economic trends, such as population growth, economic and technological development, government policies, natural resources exploitation and land use. These climate drivers affect the emission of Greenhouse Gases and influence the future projections of environmental parameters as seasonal temperature and relative humidity. Corrosion processes in Reinforced Concrete (RC) structures can be severely impacted by the surrounding environmental conditions. Thus, the evaluation of future climate becomes fundamental for an accurate life-cycle structural performance assessment. This Thesis aims at investigating the key aspects in life-cycle assessment of RC structures and integrating climate change and environmental aggressiveness models into the probabilistic assessment of time-variant structural reliability. A comprehensive life-cycle simulation-based framework is proposed for reliability assessment of aging structures or structural systems under realistic climate change scenarios. The main highlights of the framework are presented with reference to a preliminary case study involving the limit analysis of a RC beam exposed to chloride-induced corrosion. The framework is then applied to the life-cycle reliability assessment of a grillage deck with prestressed unifilar beam elements with reference to different limit states from damage limitation up to nominal collapse. This case study is developed in the context of the research project "BRIDGE|50 - Residual Structural Performance of a 50-Year-Old Bridge". The methodology is integrated with the probabilistic user costs assessment of a simple road network with main highways and detour roads connecting trips Origin and Destination (OD) nodes. The results allow to quantify the impact of climate change in reducing the structural reliability and increasing the probability of exceedance of prescribed network damage states and cost thresholds. ewline These results highlight the need for proper modeling of the environmental parameters and climate evolution over the entire lifespan of aging structures and their integration in a life-cycle-informed approach to optimally manage infrastructure systems.

I sistemi strutturali sono soggetti a processi di degrado e invecchiamento. Molte strutture e infrastrutture esistenti mostrano effetti evidenti di questi processi e necessitano di importanti investimenti per le operazioni di manutenzione. La valutazione delle prestazioni di strutture strategiche come ponti e infrastrutture viarie è pertanto di fondamentale importanza. In questo contesto, l'evoluzione a lungo termine delle condizioni climatiche può avere un importante impatto nell’inasprimento della pericolosità ambientale che influenza i sistemi strutturali. Gli scenari di cambiamento climatico sono inoltre condizionati da aaspetti socio-economici, come la crescita della popolazione, lo sviluppo economico e tecnologico, le politiche governative, lo sfruttamento delle risorse naturali e del suolo. Questi fattori chiave per il clima influiscono sulle emissioni di gas serra e, di conseguenza, sulle future proiezioni di parametri ambientali come temperatura e umidità relativa. In particolare, i fenomeni corrosivi nelle strutture in calcestruzzo armato possono essere fortemente alterati dalle condizioni ambientali circostanti. Di conseguenza, la valutazione del clima futuro diventa fondamentale per un'accurata stima delle prestazioni strutturali durante l'arco della vita utile. Questa Tesi si pone l'obbiettivo di indagare gli aspetti chiave delle analisi a ciclo di vita di strutture in calcestruzzo armato integrando la modellazione del cambiamento climatico e della pericolosità ambientale nella valutazione probabilistica dell'affidabilità strutturale nel tempo. Viene proposto modello probabilistico per l'analisi di affidabilità a ciclo di vita di strutture danneggiate rispetto a scenari di cambiamento climatico. Le principali caratteristiche del modello sono presentate in un caso studio preliminare relativo all'analisi limite di una trave in calcestruzzo armato esposta a corrosione da cloruri. Successivamente, il modello è applicato all'analisi a ciclo di vita di un impalcato a graticcio con riferimento al superamento di diversi stati limite. Tale caso studio viene sviluppato nel contesto del progetto di ricerca BRIDGE|50 - Residual Structural Performance of a 50-Year-Old Bridge. Il modello è successivamente integrato con l'analisi probabilistica dei costi degli utenti di una semplice rete stradale composta da strade principali e secondarie che connettono diversi nodi di origine e destinazione. I risultati ottenuti permettono di quantificare l’impatto del cambiamento climatico nella riduzione dell'affidabilità strutturale e nell'incremento della probabilità di superamento di un determinato limite di danno o di costo. Inoltre, questi risultati evidenziano la necessità di un'appropriata modellazione del clima rispetto alla vita prevista della struttura e la sua integrazione con un approccio a ciclo di vita per gestire in modo ottimale singole strutture e sistemi infrastrutturali.