Lifetime performance and seismic resilience of concrete structures exposed to corrosion

Seismic design of concrete structures is currently based on time-invariant capacity design criteria that do not account for environmental hazard. However, corrosion-induced damage of both concrete and reinforcing steel may affect over time the structural performance at global level, by reducing the capability to withstand the effects of a seismic event and to recover efficiently the original functionality. Therefore, the long-term behavior of deteriorating structural systems has to be properly considered in the seismic design of resilient concrete structures. This Thesis presents a probabilistic approach to lifetime assessment of seismic performance and resilience of concrete structures exposed to corrosion. A life-cycle analysis methodology is presented accounting for both seismic and environmental hazards. Criteria for a time-variant measure of seismic resilience are proposed in order to take into account the combined effects of mechanical and environmental stressors. In particular, suitable performance indicators of the lifetime seismic capacity are considered, and structural functionality and resilience are investigated over time with respect to different limit states, from damage limitation up to collapse. The proposed procedure is applied to a multi-story frame and a continuous bridge. The results demonstrate that structures designed for the same functionality target could exhibit over time different seismic performance and resilience depending on the environmental exposure. This highlights the need of a life-cycle oriented seismic design approach and the importance of a lifetime resilience assessment of concrete structures in the perspective of seismic risk mitigation.

L’attuale progettazione sismica di strutture in calcestruzzo armato si basa su criteri di capacità che non considerano né il fattore tempo né il rischio ambientale. Tuttavia, il danneggiamento indotto dai fenomeni di corrosione che interessano sia il calcestruzzo sia le armature può avere effetti nel tempo sul comportamento strutturale globale, riducendo la capacità di sostenere azioni sismiche e di recuperare la funzionalità iniziale in modo efficiente. Pertanto, il comportamento a lungo termine dei sistemi strutturali sottoposti a degrado deve essere considerato in maniera appropriata nella progettazione sismica di strutture resilienti. La Tesi presenta un approccio probabilistico per la valutazione nel tempo delle prestazioni sismiche e della resilienza di strutture in calcestruzzo esposte a corrosione. Viene presentata una metodologia di analisi a ciclo di vita mirata a valutazioni di rischio sia sismico sia ambientale. Vengono proposti dei criteri di valutazione della resilienza sismica nel tempo, al fine di considerare l’interazione fra azioni meccaniche e ambientali. In particolare, vengono considerati appropriati indicatori prestazionali della capacità sismica nel tempo, e funzionalità strutturale e resilienza vengono analizzate nel corso della vita utile rispetto a differenti stati limite, dalla limitazione del danno fino al collasso. La procedura di analisi proposta viene applicata a un edificio multipiano e a un ponte a travata continua. I risultati dimostrano che strutture progettate per un medesimo obiettivo di funzionalità possono presentare nel tempo diverse prestazioni e resilienza sismica a seconda dell’esposizione ambientale. Ciò evidenzia la necessità di un approccio progettuale orientato al ciclo di vita e l’importanza della valutazione nel tempo della resilienza di strutture in calcestruzzo nella prospettiva della mitigazione del rischio sismico.