Damage identification and structural assessment of an existing bridge

The life-cycle condition assessment of critical structures such as bridges is a key issue in the management of sustainable and durable transportation lifelines. Structural Health Monitoring (SHM) and diagnostics activities allow gathering the necessary information to detect damage and potential structural capacity decay induced by extreme loading conditions as well as aging phenomena throughout the structure lifetime. In this context, Alkali-Silica Reaction (ASR) can severely impair the mechanical performance of concrete and, in turn, can have a detrimental impact on the structural response of structural members affected by this chemical process. In-field empirical data allow to calibrate predictive models of the propagation in time of mechanical deterioration induced by environmental stressors. Finally, numerical Finite Element models can be suitably calibrated and updated based on time-variant empirical evidence coupled with mechanical deterioration models for life-cycle structural performance assessment under uncertainties. The present thesis investigates the life-cycle modal and static response of a multi-span highway viaduct with Prestressed Concrete (PC) deck exposed to ASR and strengthened by Ultra High Performance Fiber Cement-based Composites (UHPFRC). A computational framework is developed to incorporate into structural models the available empirical data on dynamic and petrographic tests. A probabilistic ASR damage is defined based on the calibration of a kinetic law with in-field tests to extrapolate the lifetime structural response under uncertainty of the investigated bridge.

La valutazione a ciclo di vita dello stato di conservazione di strutture critiche è di fondamentale importanza per la gestione di infrastrutture di trasporto sostenibili e durabili. Il monitoraggio e le attività di diagnostica strutturale permettono di ottenere le informazioni necessarie per l’identificazione di scenari di danno e della riduzione della capacità portante indotta da condizioni di carico estreme e da degrado ambientale nell’arco della vita utile. In questo contesto, la reazione alcali-silice può notevolmente ridurre le prestazioni meccaniche del calcestruzzo e, di conseguenza, influire negativamente sulla risposta strutturale degli elementi che subiscono tale processo chimico. L’acquisizione di dati sperimentali su strutture esistenti permette di calibrare modelli predittivi della propagazione nel tempo del danno meccanico indotto dall’interazione con agenti ambientali aggressivi. Infine, la calibrazione di modelli numerici agli Elementi Finiti ed il loro aggiornamento basato sulle evidenze sperimentali integrate con modelli di degrado meccanico permettono di assistere la valutazione in forma probabilistica delle prestazioni strutturali a ciclo di vita. L’elaborato di tesi analizza la risposta statica e modale a ciclo di vita di un viadotto autostradale continuo in calcestruzzo armato precompresso soggetto a reazione alcali-silice e rinforzato con compositi cementizi UHPFRC (Ultra High Performance Fiber Cement-based Composites). A questo proposito, viene proposta una metodologia di calcolo per l’integrazione nei modelli strutturali delle informazioni ottenute da prove dinamiche ed analisi petrografiche. In particolare, si propone un modello probabilistico del danno da reazione alcali-silica basata sulla calibrazione di una legge cinetica mediante prove in-situ. Il modello di degrado strutturale permette di estrapolare informazioni di interesse riguardo la risposta strutturale del ponte in esame considerando le incertezze nei parametri meccanici e la loro evoluzione nel tempo.