Valutazione della vulnerabilità sismica dei viadotti autostradali portando in conto gli effetti del degrado per corrosione delle pile in cemento armato

This doctoral research project addresses the seismic vulnerability assessment of reinforced concrete highway viaducts, with particular attention to the effects of corrosion-induced degradation of the reinforcement. This issue is highly topical, as many Italian infrastructures built between the 1950s and 1970s now exhibit high levels of vulnerability, due to both design obsolescence and material deterioration. The research aims to quantify the impact of corrosion on the seismic performance of bridges, for rectangular and circular hollow piers under the hypotheses described in the thesis, developing an integrated approach that combines degradation models, nonlinear structural analyses, and probabilistic assessments. A fiber model with distributed plasticity was therefore implemented, in which the mechanical properties of steel and concrete were modified to account for the effects of corrosion, such as loss of strength, stiffness, and ductility. The degradation models, calibrated on a probabilistic basis, were applied to representative piers and viaducts under different environmental conditions. Through nonlinear dynamic analyses, time-dependent fragility curves were derived, describing how seismic vulnerability evolves over the structure's service life. The results show that corrosion leads to a significant reduction in seismic performance: the resisting and displacement capacity can decrease by up to 50% in the most severe cases. The fragility curves highlight a progressive increase in the probability of damage and collapse as degradation progresses. It was also observed that pitting corrosion, which is more localized and irregular, is particularly critical, as it drastically reduces ductility and can cause local instabilities in the reinforcement. An uneven distribution of degradation among piers can also alter the overall behavior of the bridge, generating strain concentrations in the critical piers. From an applied perspective, the research findings provide useful considerations for seismic risk management and maintenance planning of existing bridges, in line with the Guidelines (MIT, 2020), which recommend considering the effects of degradation over time. In conclusion, the thesis proposes, within the framework of the analyses conducted, a simplified time-dependent methodological framework for assessing the seismic safety of degraded structures, integrating mechanical, environmental, and probabilistic aspects. This approach represents a preliminary contribution to seismic engineering and sustainable infrastructure management, highlighting how considering degradation is essential for a realistic and reliable safety assessment of reinforced concrete bridges.

Il lavoro di ricerca di dottorato affronta la valutazione della vulnerabilità sismica dei viadotti autostradali in calcestruzzo armato, con particolare attenzione agli effetti del degrado da corrosione delle armature. Tale problematica è di grande attualità, poiché molte infrastrutture italiane costruite tra gli anni Cinquanta e Settanta presentano oggi elevati livelli di vulnerabilità, dovuti sia all’obsolescenza progettuale sia al deterioramento dei materiali. La ricerca si propone di quantificare l’impatto della corrosione sulle prestazioni sismiche dei ponti, per le pile rettangolari e circolari cave nelle ipotesi descritte nell’elaborato, sviluppando un approccio integrato che combina modelli di degrado, analisi strutturali non lineari e valutazioni probabilistiche. È stato quindi implementato un modello a fibre con plasticità distribuita, nel quale le proprietà meccaniche di acciaio e calcestruzzo sono state modificate per rappresentare gli effetti della corrosione, quali perdita di resistenza, rigidezza e duttilità. I modelli di degrado, calibrati su basi probabilistica, sono stati applicati a pile e viadotti rappresentativi in differenti condizioni ambientali. Attraverso analisi dinamiche non lineari, sono state derivate curve di fragilità dipendenti dal tempo, che descrivono come la vulnerabilità sismica evolva nel corso della vita utile della struttura. I risultati mostrano che la corrosione comporta una notevole riduzione delle prestazioni sismiche: la capacità resistente e di spostamento può diminuire fino al 50% nei casi più gravi. Le curve di fragilità evidenziano un aumento progressivo della probabilità di danneggiamento e collasso, man mano che il degrado avanza. È stato inoltre osservato che la corrosione per pitting, più localizzata e irregolare, risulta particolarmente critica, poiché riduce drasticamente la duttilità e può provocare instabilità locali nelle armature. Una distribuzione non uniforme del degrado tra le pile può inoltre alterare il comportamento globale del ponte, generando concentrazioni di deformazioni nelle pile critiche. Dal punto di vista applicativo, i risultati della ricerca forniscono considerazioni utili per la gestione del rischio sismico e la pianificazione della manutenzione dei ponti esistenti, in linea con le Linee guida (MIT, 2020), che raccomandano di considerare gli effetti del degrado nel tempo. In conclusione la tesi propone, nell’ambito delle analisi effettuate, un quadro metodologico time-dependent semplificato per la valutazione della sicurezza sismica delle strutture degradate, integrando aspetti meccanici, ambientali e probabilistici. Tale approccio rappresenta un contributo preliminare all’ingegneria sismica e alla gestione sostenibile delle infrastrutture, evidenziando come la considerazione del degrado sia imprescindibile per una valutazione realistica e affidabile della sicurezza dei ponti in calcestruzzo armato.