Life-cycle reliability of corroding concrete bridges under seismic and tsunami hazards

Bridges and viaducts are critical components of transportation infrastructure, enabling mobility, economic integration, and emergency response. However, their durability is increasingly threatened by aging, environmental exposure, and extreme natural hazards. In particular, chloride-induced corrosion progressively undermines the capacity of reinforced concrete (RC) bridges, while seismic and tsunami events exacerbate the risk of structural deficiency. The combined action of these phenomena raises complex challenges that cannot be captured by traditional design approaches. This thesis addresses these issues by developing a probabilistic life-cycle framework for assessing the vulnerability of reinforced concrete viaducts exposed to multiple hazards, applied to existing bridges built in Italy during the second half of the 20th century. The research is articulated into three main themes. First, the impact of chloride-induced corrosion on the seismic fragility of RC viaducts is quantified through computational techniques. An existing viaduct is adopted as a representative case study, with exposure scenarios calibrated to different Italian sites. Results demonstrate that as corrosion progresses, piers become the most critical elements, leading to increased seismic vulnerability to severe damage and structural failure limit states. Second, the framework is extended to account for cumulative deterioration under multiple earthquake events. By integrating corrosion effects with repeated earthquake loading, the study shows that cracks induced by both chloride-induced corrosion and sequences of seismic events accelerate chloride diffusion and corrosion damage, leading to a faster decline in structural reliability compared to single-hazard assessment. Third, the influence of chloride-induced corrosion on seismic and tsunami risks is investigated considering an existing coastal viaduct located in the site of Augusta and Riace (Italy). While seismic reliability decreases markedly with corrosion over time, tsunami reliability remains largely unaffected, as bearing devices, rather than corroded piers, govern structural response. At Riace, a shift in the predominant risk is observed after 60 years, when seismic reliability becomes lower than tsunami reliability. The results highlight the particular vulnerability of RC viaducts built in Italy during the second half of the 20th century, many of which are now approaching the end of their design life. The proposed framework represents a step forward in research on life-cycle bridge engineering, integrating cumulative damage effects into life-cycle reliability assessment. It provides engineers and policymakers with a robust tool to prioritize maintenance, plan retrofitting interventions, and support economic decisions regarding infrastructure maintenance and upgrading. Future developments should extend the methodology to consider the impact of aging and deterioration at the level of infrastructure networks, and account for the accelerating impact of climate change on chloride propagation and sea-level rise, which will further alter the risk of critical coastal infrastructure.

Ponti e viadotti rappresentano componenti critiche delle infrastrutture di trasporto, consentendo la mobilità, l’integrazione economica e la risposta alle emergenze. Tuttavia, la loro durabilità è sempre più minacciata dall’invecchiamento, dall’esposizione ambientale e da eventi naturali estremi. In particolare, la corrosione indotta da cloruri compromette progressivamente la capacità dei ponti in calcestruzzo armato (CA), mentre eventi sismici e tsunami aggravano il rischio di insufficienza di capacità strutturale. L’azione combinata di questi fenomeni pone sfide complesse che non possono essere adeguatamente descritte dagli approcci tradizionali di progettazione. Questa tesi affronta tali problematiche sviluppando una procedura probabilistica di analisi a ciclo di vita per la valutazione della vulnerabilità di viadotti in calcestruzzo armato esposti a rischi multipli, applicato a ponti esistenti costruiti in Italia nella seconda metà del XX secolo. La ricerca si articola in tre temi principali. In primo luogo, l’impatto della corrosione indotta da cloruri sulla fragilità sismica dei viadotti in CA viene quantificato mediante tecniche computazionali. Un viadotto esistente è adottato come caso di studio rappresentativo, con scenari di esposizione calibrati per diversi siti italiani. I risultati mostrano che, con il progredire della corrosione, le pile diventano gli elementi più critici, determinando un aumento della vulnerabilità sismica per gli stati limite di danno severo e di fallimento strutturale. In secondo luogo, la metodologia viene estesa per considerare il deterioramento cumulativo dovuto a eventi sismici multipli. Integrando gli effetti della corrosione con quelli di terremoti ripetuti, lo studio evidenzia come le fessure indotte sia dalla corrosione da cloruri sia dalle sequenze di eventi sismici accelerino la diffusione dei cloruri e il danneggiamento da corrosione, determinando un più rapido decadimento dell’affidabilità strutturale rispetto alle valutazioni basate su un singolo rischio. In terzo luogo, l’influenza della corrosione indotta da cloruri sul rischio sismico e da tsunami viene analizzata considerando un viadotto costiero esistente situato nei siti di Augusta e Riace (Italia). Mentre l’affidabilità sismica diminuisce sensibilmente con il progredire della corrosione nel tempo, l’affidabilità rispetto allo tsunami rimane sostanzialmente invariata, poiché la risposta strutturale è governata dai dispositivi di appoggio piuttosto che dalle pile soggette a corrosione. Nel caso di Riace, dopo circa 60 anni si osserva un cambiamento nel rischio predominante, quando l’affidabilità sismica diventa inferiore a quella rispetto allo tsunami. I risultati evidenziano la particolare vulnerabilità dei viadotti in calcestruzzo armato costruiti in Italia nella seconda metà del XX secolo, molti dei quali stanno ormai raggiungendo il termine della loro vita utile. La metodologia proposta rappresenta un passo avanti nella ricerca sull’ingegneria dei ponti a ciclo di vita, integrando gli effetti del danno cumulativo nella valutazione dell’affidabilità strutturale nel tempo. Esso fornisce a ingegneri e gestori pubblici uno strumento robusto per la definizione delle priorità di manutenzione, la pianificazione di interventi di adeguamento e il supporto alle decisioni economiche relative alla gestione e al miglioramento delle infrastrutture. Sviluppi futuri dovrebbero estendere la metodologia per considerare l’impatto dell’invecchiamento e del deterioramento a livello di reti infrastrutturali, nonché includere l’effetto accelerante dei cambiamenti climatici sulla propagazione dei cloruri e sull’innalzamento del livello del mare, fattori che modificheranno ulteriormente il rischio per le infrastrutture costiere critiche.