Lifetime vulnerability of code-conforming RC viaducts under corrosion

Modern communities have inherited a great wealth of infrastructure systems, which were built for the most part during the last century. This heritage needs to be protected especially in the case of structures that play a strategic role, such as reinforced concrete bridges within critical road networks in earthquake-prone areas. These structures are deemed to satisfy the performance standards to mitigate the socio-economic impact of not only possible extreme hazardous events, but also the relentless effect of aging and deterioration. In this context, significant efforts for the next generations of codes and standards are currently directed towards the development of risk-based methodologies for structural design of key structural systems and further efforts are needed to incorporate these techniques with a probabilistic life-cycle-oriented approach. This thesis presents a probabilistic framework to evaluate the time-variant structural failure rate of highway bridges considering model uncertainties related to the mechanical properties of construction materials and, with a life-cycle perspective, the propagation of such uncertainties induced by aggressive agents. This work discusses the commonly adopted analytical models and numerical methods for probabilistic assessment of hazard and vulnerability of structural systems and environmental deterioration processes, with particular focus on seismic events and chloride-induced corrosion. Numerical models of a multi-span reinforced concrete shallow viaduct are considered and sensitivity analyses are carried out to investigate the interaction between modeling strategies capturing the typical non-linear response of stocky piers and environmental degradation induced by chloride corrosion. The failure rate with respect to damage states from usability prevention to global collapse are assessed at prescribed seismic areas in Italy are considered, namely Milan (low seismicity), Napoli (medium seismicity) and L'Aquila (high seismicity). The results of the vulnerability and risk assessment of the investigated shallow viaduct show that the requirements on minimum reinforcement and constructability provisions followed in the design process may lead to an excessive overdesign, preventing the structure from developing the ductility levels for which it was originally conceived and consequently leading to low rates of failure occurrences that may render the bridge economically inefficient. However, regardless of the low levels of plasticity, a clear variability in adopting different modeling assumptions and seismic hazard levels was observed, thus highlighting the importance of the adoption of proper modeling assumptions in order to define appropriate trade-off between numerical accuracy and computational efficiency. Finally, the results also that the impact of environmental aging may harm the seismic capacity through the structure lifetime, highlighting the necessity to further investigate the deterioration processes to incorporate multi-hazard design approaches in the design practice.

La tutela del patrimonio costruito durante il secolo scorso è un tema di grande rilevanza per la società moderna, chiamata a garantire sufficienti livelli prestazionali ai componenti infrastrutturali strategici, come i viadotti appartenenti a reti stradali in zona sismica. La progettazione di questi sistemi strutturali deve soddisfare esigenze prestazionali che permettano non solo di attenuare le conseguenze socio-economiche di un possibile evento estremo, ma anche l'inesorabile effetto del degrado ambientale. In questo contesto, le future generazioni delle normative di progettazione ed adeguamento strutturale prevederanno un utilizzo sempre più esteso di metodologie di calcolo basate sull'analisi del rischio rispetto a scenari di pericolosità attesi. In questo senso, sono necessari ulteriori sforzi per integrare queste tecniche con un approccio probabilistico che consideri il comportamento a ciclo di vita delle strutture. Questa tesi presenta un approccio probabilistico alla valutazione del tasso di fallimento di ponti autostradali nell'arco della propria vita utile. Nello specifico, l'evoluzione del tasso di fallimento viene valutata nel tempo in funzione delle incertezze relative alle proprietà meccaniche dei materiali e la loro propagazione in ambiente aggressivo. In questo lavoro, vengono inizialmente inquadrati i modelli analitici e i metodi numerici comunemente adottati per la valutazione probabilistica della pericolosità e della vulnerabilità di sistemi strutturali e dei processi di degrado ambientale, con particolare attenzione agli eventi sismici ed alla corrosione. Le metodologie analizzate vengono validate sviluppando diversi modelli numerici relativi ad un viadotto basso in calcestruzzo armato a campata multipla con pile esposte a corrosione da cloruri. Lo sviluppo di tali modelli ha permesso di eseguire analisi di sensitività alla modellazione che hanno permesso di approfondire l'interazione tra comportamento meccanico non-lineare tipico di pile tozze e degrado ambientale. Il tasso di fallimento relativo a stati di danno intermedi fino al collasso strutturale del viadotto viene valutato in aree sismiche localizzate nel contesto italiano, nello specifico a Milano (bassa sismicità), Napoli (media sismicità) e L'Aquila (alta sismicità). I risultati ottenuti per il viadotto analizzato mostrano come i limiti minimi progettuali imposti dalle normative potrebbero comportare un eccessivo sovradimensionamento, sfruttando limitatamente le riserve di duttilità strutturale sotto azioni sismiche e determinando quindi modici tassi di fallimento. Tuttavia, le scelte di modellazione adottate per l'analisi sismica possono influenzare notevolmente la stima della vulnerabilità strutturale, evidenziando l'importanza dell'utilizzo di modelli numerici sufficientemente raffinati, garantendo quindi un adeguato compromesso tra accuratezza dei risultati ed efficienza computazionale. Infine, i risultati indicano che l'impatto del degrado da corrosione può compromettere la capacità sismica della struttura durante la propria vita utile, evidenziando la necessità di analizzare con maggior grado di approfondimento i processi fisico-chimici connaturati nell'evoluzione del degrado ambientale per una formulazione di approcci multi-rischio da adottare nella pratica progettuale.