Structural Assessment of Existing Deteriorated Girders and Advanced Strengthening Strategies: Analytical, Experimental and Numerical Approaches

This doctoral research focuses on the assessment and strengthening of deteriorated girders, with particular emphasis on full-scale structural members subjected to natural corrosion and tested at the end of their service life. The work combines analytical development, experimental investigation, and supportive numerical interpretation within a coherent mechanics-based framework. A first contribution consists in the development of an analytical formulation for predicting the shear strength of corroded reinforced concrete beams within the framework of fib Model Code 2020. Corrosion-induced degradation mechanisms are explicitly incorporated into the model, allowing a rational estimation of residual capacity during the assessment phase. A central part of the research is devoted to full-scale experimental testing on naturally deteriorated girders removed from service at the end of their life. These investigations provide rare evidence on structural behavior under realistic boundary conditions and establish a reliable basis for evaluating both residual capacity and the effectiveness of intervention strategies. Particular emphasis is placed on the design, application, and experimental validation of strengthening interventions on real degraded members. Ultra-high-performance fiber-reinforced concrete (UHPFRC) overlays and hybrid CFRP–FRM systems were implemented at full scale and assessed under monotonic loading. The results demonstrate that properly designed strengthening solutions can not only restore but significantly enhance structural performance, while maintaining compatibility with the existing degraded substrate. The study highlights the role of interface behavior, load redistribution mechanisms, and interaction between original reinforcement and new materials in achieving effective service-life extension. Nonlinear finite element analyses were employed to interpret the observed behavior and to explore stress redistribution in degraded and strengthened configurations. In addition, a complementary stochastic investigation was conducted to examine the influence of material and corrosion variability on structural response. Overall, the thesis contributes to a mechanics-based and experimentally validated approach for the assessment and service-life extension of aging girders, with primary emphasis on real-scale evidence and practical applicability in infrastructure management.

La ricerca di dottorato si concentra sulla valutazione e sul rinforzo di travi degradate, con particolare attenzione a elementi strutturali in scala reale soggetti a corrosione naturale e sottoposti a prova al termine della loro vita utile. Il lavoro integra sviluppo analitico, indagine sperimentale e interpretazione numerica di supporto all’interno di un quadro coerente basato sulla meccanica delle strutture. Un primo contributo consiste nello sviluppo di una formulazione analitica per la previsione della resistenza a taglio di travi in calcestruzzo armato corrose nell’ambito del fib Model Code 2020. I meccanismi di degrado indotti dalla corrosione sono esplicitamente incorporati nel modello, consentendo una stima razionale della capacità residua in fase di valutazione. Una parte centrale della ricerca è dedicata a prove sperimentali su elementi in scala reale naturalmente degradati e rimossi dal servizio al termine della loro vita utile. Tali indagini forniscono evidenze rare sul comportamento strutturale in condizioni al contorno realistiche e costituiscono una base affidabile per la valutazione sia della capacità residua sia dell’efficacia delle strategie di intervento. Particolare enfasi è posta sulla progettazione, applicazione e validazione sperimentale di interventi di rinforzo su elementi reali degradati. Rivestimenti in calcestruzzo fibrorinforzato ad altissime prestazioni (UHPFRC) e sistemi ibridi CFRP–FRM sono stati implementati in scala reale e valutati sotto carico monotono. I risultati dimostrano che soluzioni di rinforzo adeguatamente progettate possono non solo ripristinare, ma anche migliorare significativamente le prestazioni strutturali, mantenendo al contempo la compatibilità con il substrato degradato esistente. Lo studio evidenzia il ruolo del comportamento d’interfaccia, dei meccanismi di ridistribuzione degli sforzi e dell’interazione tra armature originarie e nuovi materiali nel conseguimento di un efficace prolungamento della vita utile. Analisi agli elementi finiti non lineari sono state impiegate per interpretare il comportamento osservato e per esplorare la ridistribuzione delle tensioni nelle configurazioni degradate e rinforzate. Inoltre, è stata condotta un’indagine stocastica complementare per esaminare l’influenza della variabilità dei materiali e della corrosione sulla risposta strutturale. Nel complesso, la tesi contribuisce a un approccio basato sulla meccanica e validato sperimentalmente per la valutazione e il prolungamento della vita utile di travi esistenti, con particolare enfasi su evidenze in scala reale e sull’applicabilità pratica nella gestione delle infrastrutture.