Probabilistic robustness assessment of deteriorating structures

Structural robustness is a debated concept in the scientific community due to several disproportionate collapse events of last decades. Moreover, its implementation in design codes can be a crucial step in providing design procedures to avoid progressive collapses. In design codes and research activities, as explained in the thesis, structural robustness is generally meant as the ability of a structural system to withstand accidental actions and extreme events such as fire, explosions, or impacts without being damaged to an extent disproportionate to the original cause. Moreover, robustness evaluations can also be formulated for time-dependent continuous damage, which strongly affects the structural lifetime of RC systems. In the thesis, the attention will be mainly focused on the damaging process induced by the diffusive attack of aggressive environmental agents, like sulfates and chlorides, which may lead to deterioration of concrete and corrosion of steel reinforcement. The diffusivity of chemical agents in concrete is simulated through Fick's law. Damage and structural response are affected by material, loading, and exposure scenario uncertainties;|||| for this reason, a probabilistic frame is used. The time-variant system performance is evaluated at the serviceability and ultimate limit states with respect to the local and global level of damage. A reliability-based robustness formulation that compares the amount of damage and the corresponding performance variation under uncertainty is proposed. The effectiveness of the proposed methodology is investigated through robustness assessments of reinforced concrete systems, with particular reference to frame structures, exposed to aggressive environments.

La robustezza strutturale è un concetto dibattuto nella comunità scientifica, a causa di diversi eventi di collasso sproporzionato avvenuti negli ultimi decenni. Inoltre, la sua implementazione nelle norme di progettazione può essere un passo cruciale per fornire procedure di progettazione volte a evitare situazioni di collasso progressivo. Nelle norme di progettazione e nell'attività di ricerca, come si riassume in questa tesi, la robustezza strutturale è generalmente intesa come la capacità di un sistema strutturale di resistere ad azioni accidentali ed eventi estremi come incendi, esplosioni o impatti senza essere danneggiato in misura sproporzionata alla causa originale. Tuttavia, le valutazioni di robustezza possono essere formulate anche rispetto al danno dipendente dal tempo, che influenza fortemente la vita dei sistemi di strutture in cemento armato. In questa tesi, l'attenzione sarà principalmente focalizzata sul processo di danneggiamento indotto dall'attacco diffusivo di agenti aggressivi ambientali, come solfati e cloruri, che possono portare al deterioramento del calcestruzzo e alla corrosione delle armature in acciaio. La diffusività degli agenti chimici nel calcestruzzo è simulata mediante della legge di Fick. Il danno e la risposta strutturale sono influenzati dalle incertezze del materiale, del carico e dello scenario di esposizione. L'approccio proposto si sviluppa quindi in un contesto probabilistico. L'andamento della performance del sistema nel tempo è valutata agli stati limite di servizio e ultimo, in relazione al livello di danno locale e globale. Viene proposta una formulazione di robustezza basata sull'affidabilità che confronta la quantità di danno e la corrispondente variazione delle prestazioni sotto incertezza. L'efficacia della metodologia proposta viene studiata attraverso valutazioni di robustezza di sistemi in calcestruzzo armato, con particolare riferimento a strutture a telai, esposte ad ambienti aggressivi.