Effect of Climate Change on Life-Cycle Reliability of Concrete Structures under Corrosion

The built environment is subjected to long-term deterioration processes, which can lead to unsatisfactory structural safety and performance such as structural and functional obsolescence. The detrimental effects of aging phenomena such as corrosion in Reinforced Concrete (RC) members can be exacerbated by the evolution in time of environmental stressors in a changing climate. In this context, the scientific community established scenarios of climate change based on different socioeconomic conditions that inform the projections of greenhouse gas emissions and, subsequently, of environmental variables such as temperature, relative humidity, and carbon dioxide. Therefore, assessing the impact of climate change in life-cycle structural reliability is of paramount importance for the optimal management of critical assets and infrastructure networks over their lifetime. This thesis aims to study the effect of climate change on life-cycle reliability analysis by proposing a comprehensive framework based on corrosion models that account for non-stationary environmental variables. Sensitivity analyses are carried out to assess the impact of climate parameters on the initiation and propagation phases of corrosion processes as well as on the structural capacity of aging RC members. The proposed methodology is then applied to assess the life-cycle structural reliability of a bridge pier based on moment-curvature analysis and nonlinear pushover analysis considering different limit states from damage limitation up to structural collapse. The time-variant reliability metrics are assessed based on traditional Monte Carlo simulation and the accuracy of the numerical estimates is discussed. Investigating the life-cycle structural reliability with different climate change scenario allow addressing the role of future environmental projections over the structure lifetime on the safety of critical infrastructure assets, providing the basis for optimal adaptation, prioritization, mitigation, and management policies.

Le strutture critiche nei sistemi infrastrutturali, quali i viadotti in calcestruzzo armato (CA), sono soggette a processi di degrado a lungo termine che possono portare ad una progressiva riduzione della capacità portante, comportando un significativo impatto su funzionalità e sicurezza rispetto ai carichi di servizio. L’evoluzione temporale dell’esposizione ambientale può influenzare negativamente i fenomeni di invecchiamento tipici delle strutture in CA, quali la corrosione delle barre d’armatura. In questo contesto, la comunità scientifica ha stabilito diversi criteri predittivi del cambiamento climatico basati su scenari socioeconomici a scala globale che influenzano le proiezioni delle emissioni di gas serra e, di conseguenza, di numerosi parametri ambientali come la temperatura, l’umidità relativa e la concentrazione atmosferica di anidride carbonica. Pertanto, la valutazione dell'impatto dei cambiamenti climatici sull'affidabilità strutturale a ciclo di vita è di fondamentale importanza nella gestione ottimale del patrimonio costruito e delle reti infrastrutturali. Questa tesi ha l’obiettivo di approfondire l'effetto del cambiamento climatico sull'analisi di affidabilità proponendo una metodologia che integra i modelli di corrosione in condizioni ambientali non-stazionarie alla valutazione probabilistica a ciclo di vita della sicurezza strutturale. L'impatto dei parametri climatici sulle fasi di innesco e propagazione dei processi di corrosione e sulla capacità strutturale di elementi in CA invecchiati sono stati analizzati mediante analisi di sensitività sui parametri costitutivi dei modelli di degrado. La metodologia proposta viene quindi applicata per valutare l'affidabilità strutturale a ciclo di vita di una pila da ponte in CA mediante analisi momento-curvatura e analisi statica non-lineare considerando diversi stati limite di limitazione del danno fino al collasso strutturale. Gli indici di affidabilità sono stati valutati nel tempo mediante tecniche tradizionali di simulazione di Monte Carlo, valutando criticamente l’accuratezza delle stime numeriche esplorando diversi scenari di cambiamento climatico. Lo studio della propagazione del danno da corrosione e l’analisi dell'affidabilità strutturale a ciclo di vita permettono quindi di valutare il ruolo delle proiezioni ambientali nell’arco della vita utile della struttura, con l’obiettivo di fornire modelli predittivi e assistere il processo decisionale relativo alla gestione ottimale delle infrastrutture critiche, con particolare interesse nella definizione di politiche di adattamento, prioritizzazione e mitigazione dell’impatto del cambiamento climatico.