Life-cycle structural performance of RC/PC Bridges: computational modeling and experimental validation

Safe, reliable, robust, and sustainable bridges and infrastructure systems are the backbone of modern society and they serve as the basis of economic growth and sustainable development of countries. Bridge design has provided the opportunity for some of the most challenging and creative applications of structural engineering. It is therefore a priority to protect, maintain, and manage aging bridges over the entire life-cycle. Concrete is a durable material capable of withstanding a wide range of severe environments. However, news and studies in recent years spotlighted the detrimental impact of aging and deterioration processes on infrastructure systems, particularly on reinforced concrete (RC) and prestressed concrete (PC) bridges. Aging and deterioration effects, combined with a low durability of materials and lack of proper maintenance and repair activities, can drastically affect the bridge bearing capacity to service loads. This represents an urgent and high relevant problem, particularly in Italy where concrete bridges and infrastructure facilities built over the past 50 years are rapidly approaching the end of the service life and some of them are in a state of severe deterioration. Moreover, the traffic loading conditions considered at the design stage, including heavy vehicles, are nowadays a low estimate of the actual in-service loads. This critical situation is made more evident by recent bridge and viaduct collapse events that have occurred with alarming frequency, highlighting the importance of planning inspection, maintenance, and repair activities over the structural lifetime. The continuously increasing traffic demand, the long-term exposure to aggressive environments, and the use of new construction materials and technologies, led to the development and extensive application of a life-cycle approach that is now becoming a driving prospective in structural engineering to properly modeling and assess the residual performance of bridges accounting for the effects of deterioration processes, time-variant loadings, and maintenance and repair interventions under aleatory and epistemic uncertainties. The thesis presents a life-cycle probabilistic framework for structural performance assessment of RC/PC bridges exposed to aging and deterioration, with emphasis on corrosion. The diffusion process in concrete members of aggressive agents, such as chlorides, is solved numerically through Cellular Automata evolutionary algorithms. Proper damage functions are adopted to model corrosion at the material level accounting for the degradation of both steel and concrete. Uncertainties are accounted for based on probabilistic methods and implemented by means of numerical simulation techniques, including Monte Carlo simulation and Subset simulation method. The beneficial effects of new data and information gathered from visual inspection, diagnostics, maintenance, and repair activities for the update of life-cycle structural assessment, are investigated with the use of Bayesian statistical inference. The time-variant structural performance of RC/PC structures is evaluated through nonlinear analysis by means of the formulation of a deteriorating RC/PC beam finite element model which accounts for geometrical and material nonlinearities and corrosion damage. Moreover, a bidimensional modeling for plane-stress nonlinear analysis of RC/PC structures under corrosion, formulated in accordance with the Modified Compression Field Theory, is adopted to account for shear effects and local stress-diffusion phenomena. The framework is validated through the results of experimental tests available in literature on RC/PC beams, as well as collected from an extensive experimental campaign within the BRIDGE|50 research project (bridge50.org) devoted to investigate the residual structural performance of a decommissioned 50-year-old PC bridge. The proposed approach is applied to the life-cycle assessment of existing RC/PC bridges under corrosion, including the effects of diagnostic activities. The results of the applications highlight the effectiveness and the importance of the proposed framework for life-cycle residual performance assessment of deteriorating bridges. The thesis contributions and results are expected to provide knowledge advances for authorities managing bridges and key information to improve existing methods for safety, reliability, and residual lifetime assessment of structures and infrastructure facilities.

Ponti e opere infrastrutturali sicure, affidabili e sostenibili rappresentano l’ossatura portante della società moderna e fungono da base per la crescita economica e lo sviluppo sostenibile di un paese. L’ingegneria dei ponti ha fornito l’opportunità per alcune delle applicazioni più impegnative e creative dell’ingegneria strutturale. Risulta dunque una priorità proteggere, manutenere e gestire ponti esposti a degrado nel loro intero ciclo di vita. Il calcestruzzo è un materiale durevole capace di resistere ad un ampio spettro di ambienti aggressivi. Tuttavia, diversi studi recenti hanno messo in luce l’impatto negativo di processi di invecchiamento e degrado sui sistemi infrastrutturali, in particolare per ponti in calcestruzzo armato (CA) e calcestruzzo armato precompresso (CAP). Gli effetti dell’invecchiamento e del degrado, combinati con una bassa durabilità dei materiali e la mancanza di adeguate attività di manutenzione e riparazione, possono influenzare drasticamente la capacità portante dei ponti in condizioni di esercizio. Questo fenomeno rappresenta un problema urgente e di grande rilevanza, in particolare in Italia dove ponti e infrastrutture costruiti negli ultimi 50 anni si stanno avvicinando rapidamente alla fine della vita di servizio e alcuni di essi versano in uno stato di grave degrado. Inoltre, le condizioni di traffico considerate in fase di progetto di queste opere, compresi i veicoli pesanti, rappresentano oggi una sottostima dei carichi effettivi di servizio. Questa situazione critica è resa più evidente dai recenti eventi di crollo di ponti e viadotti che si sono verificati con una frequenza allarmante, evidenziando l’importanza della pianificazione di attività di ispezione, manutenzione e riparazione durante la vita utile delle opere. La domanda di traffico in continuo aumento, l’esposizione prolungata ad ambienti aggressivi e l’utilizzo di nuovi materiali e tecnologie da costruzione, hanno portato l’approccio a ciclo di vita a diventare un approccio fondamentale nell’ingegneria strutturale per modellare e valutare in maniera accurata le prestazioni residue di ponti e viadotti considerando gli effetti dei processi di degrado, carichi variabili nel tempo, incertezze aleatorie ed epistemiche e i risultati di attività di manutenzione e ripristino. La tesi presenta una metodologia a ciclo di vita in ambito probabilistico per la valutazione delle prestazioni strutturali di ponti in CA/CAP soggetti a invecchiamento e degrado, con attenzione al fenomeno della corrosione. Il processo diffusivo nel calcestruzzo di agenti aggressivi, come i cloruri, viene affrontato numericamente attraverso algoritmi evolutivi basati sugli automi cellulari. La modellazione della corrosione avviene a livello dei materiali sulla base di funzioni di danno considerando il degrado di acciaio e calcestruzzo. Le incertezze vengono introdotte con approccio probabilistico e implementate mediante tecniche di simulazione Monte Carlo e simulazione per sottoinsiemi. Nei modelli di analisi a ciclo di vita si tiene conto di nuovi dati e informazioni ottenute da attività di ispezione, diagnostica, manutenzione e riparazione mediante metodi di inferenza statistica bayesiana. Le prestazioni nel tempo di strutture in CA/CAP vengono valutate mediante analisi non lineare sulla base della formulazione di un elemento finito di travi in CA/CAP che considera le non linearità geometriche, le non linearità dei materiali e il degrado da corrosione. Per considerare gli effetti associati al taglio e alla diffusione locale degli sforzi, viene sviluppata anche una modellazione bidimensionale per l’analisi non lineare in stato piano di sforzo basata sulla Modified Compression Field Theory. Le formulazioni proposte vengono validate attraverso i risultati di prove sperimentali su travi in CA/CAP disponibili in letteratura e ottenuti tramite una ampia campagna sperimentale condotta nell’ambito del progetto di ricerca BRIDGE|50 (bridge50.org), che si propone di studiare le prestazioni strutturali residue di un viadotto in CAP demolito dopo una vita di servizio di 50 anni. L’approccio proposto viene utilizzato nella valutazione a ciclo di vita di ponti esistenti in CA/CAP soggetti a corrosione tenendo conto delle informazioni derivanti dalle attività di diagnostica. I risultati ottenuti evidenziano l’efficacia e l’importanza dell’approccio proposto per la valutazione a ciclo di vita delle capacità residue di ponti soggetti a degrado. Si auspica che i contributi e i risultati della tesi possano contribuire all’avanzamento delle conoscenze degli enti gestori nel settore dei ponti e a fornire informazioni utili per un miglioramento dei metodi esistenti per la valutazione a ciclo di vita della sicurezza, dell’affidabilità e della vita residua di strutture e infrastrutture.