Assessment of infrastructures: the half-joint in existing bridges

This thesis investigates the structural assessment and retrofitting of reinforced concrete (RC) half-joints. Despite their widespread historical use in bridge construction, these elements are frequently overlooked in inspection and evaluation procedures, yet they represent a critical vulnerability in ageing infrastructure networks due to inherent geometric discontinuities and their susceptibility to deterioration mechanisms such as corrosion. The research integrates experimental testing, analytical modelling, and real-world case study applications to assess the residual capacity of both undamaged and corroded RC half-joints, while also exploring effective retrofitting strategies. Two complementary experimental campaigns were conducted: one on pristine specimens—including a blind prediction exercise involving multiple research units—to evaluate inherent strength and the impact of FRCM (Fabric-Reinforced Cementitious Matrix) strengthening; and another on artificially corroded specimens, designed to replicate chloride-induced degradation. The tests enabled the identification of key behavioural parameters and failure mechanisms. FRCM systems were shown to enhance load-bearing capacity by 10–20\% and effectively limit crack propagation in the nib region. The artificially accelerated corrosion technique, based on pre-cracking and controlled current flow, allowed for the calibration of damage levels corresponding to realistic environmental exposure. The correlation between exposure time, mass loss, and mechanical degradation was established using Faraday’s law, and validated through comparison of manual and 3D photogrammetric measurements of rebar section loss. Analytical investigations included both Strut-and-Tie Modelling (STM) and Finite Element Modelling (FEM). STM, while reliable and conservative for undamaged specimens, showed increasing limitations when applied to corroded members, especially beyond critical thresholds of cross-sectional loss (approximately 20\% for ø10 mm bars and 35\% for ø14 mm bars). In contrast, FEM was able to capture the effects of progressive damage and local failure mechanisms with higher accuracy, particularly after calibration to experimental data. The blind prediction exercise involving eight research units further highlighted the trade-offs between modelling complexity and predictive performance, emphasizing the importance of boundary condition definition, fracture energy calibration, and mesh refinement. The research also contributed to the practical field assessment of existing structures by proposing two tailored inspection forms developed within an Italian national research project, aiming to improve the consistency of damage evaluation and prioritization in maintenance planning. The combined use of experimental, analytical, and field data supports more balanced and reliable assessments, avoiding excessive conservatism while ensuring structural safety. Overall, this study enhances current methodologies for assessing existing RC half-joints by integrating experimental and analytical evidence, and provides engineers with useful tools for estimating residual strength and evaluating retrofitting solutions in deteriorated bridge components.

Questa tesi affronta la valutazione strutturale e il rinforzo delle selle Gerber in calcestruzzo armato (CA). Nonostante il loro ampio impiego storico nella costruzione di ponti, questi elementi sono spesso trascurati nelle fasi di ispezione e verifica strutturale, pur rappresentando una criticità rilevante nelle reti infrastrutturali in fase di invecchiamento, a causa delle discontinuità geometriche intrinseche e della loro vulnerabilità ai meccanismi di degrado, come la corrosione. La ricerca integra prove sperimentali, modellazione analitica e applicazioni a casi studio reali, al fine di valutare la capacità residua di selle sia non danneggiate che corrose, esplorando al contempo strategie efficaci di rinforzo. Sono state condotte due campagne sperimentali complementari: la prima su provini integri — comprensiva di un esercizio di previsione in modalità "blind" che ha coinvolto diversi gruppi di ricerca — finalizzata a valutare la resistenza intrinseca e l’efficacia del rinforzo mediante sistemi FRCM (Fabric-Reinforced Cementitious Matrix); la seconda su provini corrosi artificialmente, progettati per replicare il degrado indotto da cloruri. Le prove hanno permesso di identificare i principali parametri comportamentali e i meccanismi di collasso. I sistemi FRCM hanno mostrato un incremento della capacità portante del 10–20% e un’efficace limitazione della propagazione delle fessure nella zona del dente. La tecnica di corrosione accelerata, basata su pre-fessurazione e applicazione controllata di corrente, ha consentito di calibrare i livelli di danno in relazione a condizioni ambientali realistiche. La correlazione tra tempo di esposizione, perdita di massa e degrado meccanico è stata definita applicando la legge di Faraday, e validata attraverso il confronto tra misurazioni manuali e rilievi fotogrammetrici 3D della riduzione della sezione delle barre in acciaio. Le analisi analitiche hanno incluso sia la modellazione a tiranti e puntoni (Strut-and-Tie Modelling, STM) sia la modellazione agli elementi finiti (Finite Element Modelling, FEM). La STM, pur risultando affidabile e conservativa per elementi non danneggiati, ha mostrato crescenti limitazioni su elementi corrosi, in particolare oltre soglie critiche di perdita di sezione (circa 20% per barre da Ø10 mm e 35% per barre da Ø14 mm). Al contrario, la FEM ha permesso di cogliere con maggiore precisione gli effetti del danno progressivo e dei meccanismi di collasso localizzati, soprattutto dopo opportuna calibrazione sui dati sperimentali. L’esercizio di blind test, che ha coinvolto otto gruppi di ricerca, ha ulteriormente evidenziato il compromesso tra complessità del modello e prestazioni previsionali, sottolineando l’importanza della definizione delle condizioni al contorno, della calibrazione dell’energia di frattura e della raffinazione della mesh. La ricerca ha inoltre contribuito all’applicazione pratica delle attività ispettive su strutture esistenti, proponendo due schede di valutazione dedicate, sviluppate nell’ambito di un progetto di ricerca nazionale italiano, con l’obiettivo di migliorare la coerenza nella classificazione dei danni e nella definizione delle priorità di intervento. L’integrazione dei dati sperimentali, analitici e sul campo consente valutazioni più equilibrate e affidabili, evitando eccessi di penalizzazione e garantendo al contempo la sicurezza strutturale. In sintesi, questo lavoro rafforza le metodologie attuali per la valutazione delle selle Gerber in CA, attraverso un approccio integrato basato su evidenze sperimentali e analitiche, offrendo agli ingegneri strumenti utili per stimare la resistenza residua e valutare soluzioni di rinforzo in elementi deteriorati.