Lifetime structural performance, redundancy and robustness of Maillart arch bridges under corrosion

The assessment of the integrity and structural reliability of existing structures is rapidly becoming a central issue in the context of civil engineering. Physical, chemical and mechanical damage mechanisms may occur in existing infrastructure systems, subjected to aggressive environmental conditions, and determine a progressive deterioration of the structural properties over time. In this context, the traditional time-invariant design approaches are no longer sufficient and new criteria are required in order to incorporate the damage effects in the structural model. This thesis studies the impact of corrosion on the lifetime structural performance of Maillart arch bridges. First, Maillart's concrete design approach and his most influential works are presented, focusing in particular on the structural behavior of the arch bridges. The potential sources of degradation in reinforced concrete structures are then discussed and a detailed state-of-the-art review of established approaches for modeling the structural damage is presented. Subsequently, different time-variant structural analysis methods, in which the damage effects are incorporated through suitable degradation laws, are implemented with the aim of studying the structural response of deteriorating concrete structures accounting for both the nonlinearities and the time dependency. Specific performance indicators, such as the failure loads, are also introduced in order to quantify the progressive reduction of the structural capacity and the analysis of their variation over time enables the definition of effective measures of structural redundancy and structural robustness. Finally, the proposed methods are implemented for assessing the structural behavior of a deteriorating Maillart arch bridge subjected to increasing damage levels over time, considering different loading conditions and damage scenarios.

Lo studio dell'affidabilità strutturale e dell'integrità delle strutture esistenti risulta ad oggi una delle problematiche centrali nel contesto dell'ingegneria civile. Diversi meccanismi di degrado fisico, chimico e meccanico possono svilupparsi nelle infrastrutture esistenti se esposte ad ambienti aggressivi e determinare un progressivo deterioramento nel tempo delle proprietà strutturali. In questo contesto, i metodi tradizionali di progetto e verifica indipendenti dal tempo non risultano sufficienti e nuovi criteri strutturali devono essere impiegati al fine di considerare gli effetti del degrado. Questa tesi si concentra sull'impatto della corrosione sul comportamento strutturale a lungo termine dei ponti ad arco Maillart. Per prima cosa vengono presentati il metodo progettuale e le opere più influenti di Maillart, con particolare attenzione al comportamento strutturale dei ponti ad arco. Le possibili cause di degrado nelle strutture in calcestruzzo armato vengono poi discusse e vengono presentati nel dettaglio gli approcci per la modellazione del degrado strutturale. In seguito, diversi metodi di analisi strutturale vengono implementati, incorporando le opportune leggi di degrado, al fine di studiare le prestazioni strutturali delle strutture in calcestruzzo armato degradate, considerando sia le non linearità sia la dipendenza dal tempo. Vengono introdotti anche particolari indicatori prestazionali per valutare la progressiva riduzione della capacità strutturale e l'analisi della loro variazione nel tempo consente la definizione di indici efficaci di ridondanza e robustezza strutturale. L'approccio proposto viene infine implementato per valutare la risposta strutturale di un ponte Maillart soggetto a livelli di degrado crescenti nel tempo, considerando diverse condizioni di carico e scenari di degrado.