Information updating in reliability assessment of bridges and bridge networks

Efficient life-cycle management of existing lifelines and infrastructure networks is critical for the economic development of evolving societies. Several studies have been carried out in the last few decades on enhancing the knowledge on loading conditions and mechanical parameters of aging existing structures to reduce uncertainties and develop more reliable models to predict their load-carrying capacity. However, obtaining such information may not always result in economic benefits in the management of a network with a life-cycle perspective. In this context, the potential outcomes of model updating should be analysed prior to the development of extensive experimental campaigns or the instalment of complex monitoring systems. This Thesis aims to develop an adaptive methodology to properly assess structural systems based on the lack/existence of different sets of information. The methodology aims to assist the decision-making with a cost-based perspective by comparing different operational maintenance scenarios based on the prior level of knowledge and the potential impact of information updating. Such methodology includes the development of sensitivity curves that allow to quantify the value of updating information with a cost/benefit approach to guide the selection of basic model parameter to be further investigated. The proposed framework is first presented with reference to the assessment simple Reinforced Concrete deteriorating structural systems, namely the collapse capacity of a statically indeterminate beam and the static response of a box-girder bridge deck. The framework is then extended to a simple road network composed with multiple bridges exposed to chloride-induced corrosion. The structural models adopted to characterize the investigated bridge network is inspired by the viaduct of Corso Grosseto (Turin, Italy), a 50-year-old bridge that was recently dismantled as part of the BRIDGE|50 research project. At the most refined level of structural assessment, the prestressed concrete bridge is modelled through a non-linear numerical model on OpenSees. Finally, results of the analysis of the network based on Cost Margin thresholds can assist the life-cycle bridge maintenance planning and monitoring activities with a systemic perspective, accounting for indirect user costs associated with the potential loss of traffic capacity up to closure of bridges severely damaged by environmental deterioration.

La gestione ottimale delle infrastrutture critiche esistenti è un aspetto sempre più cruciale nello sviluppo economico. In questo contesto, diversi studi recenti hanno analizzato l’importanza di ottenere maggiori informazioni su parametri meccanici e condizioni di carico di sistemi strutturali soggetti a degrado nel tempo per ridurre le incertezze nello sviluppo di modelli predittivi della capacità strutturale. Tuttavia, l’ottenimento di queste informazioni può portare a benefici limitati nella gestione di sistemi infrastrutturali rispetto al costo da sostenere per ottenerle mediante campagne sperimentali estese o l'installazione di sistemi di monitoraggio complessi. Per questo motivo, i potenziali benefici dati dall'integrazione di ulteriori dati nella modellazione strutturale dovrebbero essere analizzati a priori. In questo lavoro di Tesi, si propone una metodologia flessibile per l'analisi di sistemi infrastrutturali sulla base di diversi livelli di conoscenza, gestendo in maniera flessibile l'eventuale assenza o presenza di informazioni caratterizzanti le strutture in esame. La metodologia si propone di agevolare il processo decisionale con un approccio su base economica confrontando differenti scenari di intervento sulla base delle informazioni pregresse e di potenziali miglioramenti del livello di conoscenza. A questo fine, vengono sviluppate curve di sensitività che permettono di quantificare i benefici dell’aggiornamento delle informazioni e trovare mediante analisi costi/benefici i parametri di modello più critici. La metodologia è stata dapprima applicata a due esempi di strutture in calcestruzzo armato soggette a degrado con il fine di presentare principi fondamentali, potenzialità e limiti dell'approccio proposto. Nello specifico, l'oggetto delle analisi esplorative preliminari riguarda la valutazione della capacità ultima di una trave iperstatica e la risposta statica di un impalcato da ponte con sezione a cassone. In seguito, si presenta una analisi di dettaglio di una ipotetica infrastruttura viaria di piccole dimensioni con ponti soggetti a corrosione da cloruri. I ponti che compongono la rete stradale analizzata sono modellati con riferimento al viadotto in calcestruzzo armato precompresso di Corso Grosseto (Torino, Italia) recentemente smantellato e oggetto di indagine nell'ambito del progetto di ricerca BRIDGE|50. In riferimento al livello di analisi di maggior dettaglio, è stato prodotto un modello numerico in OpenSees di impalcato a graticcio. In conclusione, l’analisi infrastrutturale basata su valori di soglia del Margine di Costo fornisce un’ulteriore strumento alla pianificazione ottimale delle attività di manutenzione e monitoraggio con una prospettiva di sistema, considerando i costi indiretti che gli utenti della strada sostengono in seguito alla perdita di capacità di traffico ed alla conseguente chiusura di ponti severamente danneggiati da fenomeni di degrado ambientale.