Probabilistic modelling of cable corrosion

Steel cable corrosion is the phenomenon which most threatens the stability and durability of cable-supported bridges. Since these processes are significantly influenced by environmental factors characteristic of the locations where these structures will be situated, underestimating or disregarding them can lead to significant design errors and a drastic reduction in the structures’ lifecycle. In this work, the multiple factors influencing corrosive mechanisms have been evaluated, taking into account the numerous uncertainties and randomness that characterize them. A predictive probabilistic model has thus been developed to describe the initiation and propagation of corrosion both on individual wires and throughout the entire steel cable. Various environmental parameters have been associated to probability distributions identified through goodness-of-fit tests. The calibration of the different parameters has been conducted based on experimental data related to specimens exposed to different exposure times and environmental conditions. The developed model has been then applied to different corrosion mechanisms through a Monte Carlo simulation. Corrosion, activated at a break of the protective sheath, spreads within the cable through successive layers of wires, resulting in a reduction in the area directly proportional to the number of wires in each individual layer. These scenarios illustrate how, in addition to the unpredictability of the initial corrosive front, their extension can lead to significant differences both in terms of the development of corrosive processes over time and of the load-bearing capacity of the cables.

La corrosione dei cavi è uno dei fenomeni di degrado che maggiormente influenzano la stabilità e la durabilità di ponti retti da cavi. Essendo tali processi significativamente influenzati dai fattori ambientali che caratterizzano i luoghi in cui queste opere verranno a trovarsi, una loro sottostima o non considerazione può portare ad errori progettuali significativi ed a una drastica riduzione del ciclo di vita delle strutture. Nel presente lavoro di tesi, i molteplici fattori che influenzano i meccanismi corrosivi sono stati valutati tenendo in considerazione le numerose incertezze e aleatorietà che li caratterizzano. Si è quindi sviluppato un modello probabilistico predittivo in grado di descrivere l’innesco e la diffusione della corrosione sia sul singolo filo che sull’intero cavo in acciaio. Ai diversi parametri ambientali, sono state associate delle distribuzioni di probabilità identificate attraverso test per la bontà dell’adattamento. La calibrazione dei diversi parametri è stata svolta sulla base di dati sperimentali relativi a provini soggetti a diversi tempi di esposizione e a diverse condizioni ambientali. Il modello sviluppato è stato quindi applicato a diversi scenari di corrosione attraverso una simulazione di tipo Monte Carlo. La corrosione, innescata in corrispondenza della rottura della guaina protettiva, si diffonde nel cavo attraverso strati successivi di fili, determinando una riduzione di area direttamente proporzionale al numero di fili appartenenti a ogni singolo strato. Tali scenari mostrano come, oltre all’imprevedibilità del fronte corrosivo iniziale, la loro estensione possa condurre a significative differenze sia in termini di sviluppo nel tempo dei processi corrosivi che di capacità portante dei cavi.