Valutazione Basata su Dati Sperimentali della Fragilità Sismica di un Ponte in CA in Presenza di Corrosione Indotta da Carbonatazione

Civil infrastructures represent strategic assets for modern society and are subject to deterioration phenomena that progressively undermine their safety and functionality. Among these, concrete carbonation and the resulting reinforcement corrosion constitute two of the main causes of deterioration of the existing Reinforced Concrete (RC) infrastructure stock. Bridges are critical links of transportation networks, ensuring regional connectivity, economic development, and social cohesion. Their structural integrity directly impacts national and regional economies, with potential failures resulting in significant socio-economic disruptions, including transportation network interruption, increased logistics costs, and community isolation. Carbonation-induced corrosion represents a particularly insidious threat that cannot be overlooked, as it develops progressively over decades and can substantially compromise structural safety before becoming visually evident. This thesis develops an integrated methodology for the long-term seismic vulnerability assessment of existing bridges affected by carbonation-induced deterioration. The approach combines a probabilistic carbonation model and advanced nonlinear dynamic analyses, providing a quantitative framework for estimating the evolution of seismic safety over the life cycle of a structure. The methodology is applied to a railway overpass representative of a common structural configuration built in Italy during the last century and presenting a widespread deterioration condition. The research methodology encompasses: development of a detailed numerical model in OpenSees with nonlinear fiber-based modeling of pier columns to capture distributed plasticity and material deterioration effects, validated against independent reference models; implementation of a probabilistic carbonation model, with calibration via Bayesian updating and, alternatively, parameter assignment based on established literature data; comparison of three modeling scenarios: Pristine, Deteriorated-Bayesian, and Deteriorated-Standard (with literature-based parameters); execution of Multiple Stripe Analysis for each of three sites characterized by different seismicity levels (high seismicity for L'Aquila, moderate for Naples, and low for Milan) to capture variability in seismic demand and structural response across different hazard conditions; development of a structured, semi-automated computational workflow linking OpenSees and MATLAB. The modeling approach implements advanced constitutive relationships for concrete and steel, enabling realistic representation of material nonlinearity and deterioration-induced property modification. Results demonstrate substantial alterations of the dynamic response due to reduction of load-bearing capacity and structural ductility. Key results, including the identification of dominant failure mechanisms across structural components and comprehensive seismic fragility curves for different damage states and deterioration scenarios, are presented and discussed. The developed methodology provides an operational tool for the assessment of existing bridges, supporting evidence-based decisions on maintenance and strengthening of critical infrastructures. Keywords: Seismic fragility, carbonation-induced corrosion, probabilistic analysis, bridge assessment, deterioration modelling, nonlinear dynamics

Le infrastrutture civili rappresentano asset strategici per la società moderna e sono soggette a fenomeni di degrado che ne compromettono progressivamente la sicurezza e la funzionalità. Tra questi, la carbonatazione del calcestruzzo e la conseguente corrosione delle armature costituiscono due delle principali cause di deterioramento del patrimonio infrastrutturale esistente in Calcestruzzo Armato (CA). I ponti rappresentano collegamenti critici delle reti di trasporto, garantendo connettività regionale, sviluppo economico e coesione sociale. La loro integrità strutturale impatta direttamente le economie nazionali e regionali, con potenziali collassi che comportano significative interruzioni socio-economiche, tra cui blocco delle reti di trasporto, aumento dei costi logistici e isolamento delle comunità. La corrosione indotta da carbonatazione rappresenta una minaccia particolarmente insidiosa che non può essere trascurata, poiché si sviluppa progressivamente nel corso di decenni e può compromettere sostanzialmente la sicurezza strutturale prima di diventare visivamente evidente. Questa tesi sviluppa una metodologia integrata per la valutazione della vulnerabilità sismica a lungo termine di ponti esistenti affetti da deterioramento indotto da carbonatazione. L'approccio combina un modello probabilistico di carbonatazione e analisi dinamiche non lineari avanzate, fornendo un quadro quantitativo per stimare l'evoluzione della sicurezza sismica lungo il ciclo di vita di una struttura. La metodologia è applicata a un cavalcavia ferroviario rappresentativo di una configurazione strutturale comune costruita in Italia durante il secolo scorso e che presenta una condizione di deterioramento diffusa. La metodologia di ricerca comprende: sviluppo di un modello numerico dettagliato in OpenSees con modellazione non lineare a fibre delle colonne delle pile per catturare la plasticità distribuita e gli effetti del deterioramento dei materiali, validato rispetto a modelli di riferimento indipendenti; implementazione di un modello probabilistico di carbonatazione, con calibrazione tramite aggiornamento bayesiano e, alternativamente, assegnazione di parametri basata su dati consolidati della letteratura; confronto di tre scenari di modellazione: Integro, Deteriorato con calibrazione Bayesiana e Deteriorato con parametri da letteratura; esecuzione di Multiple Stripe Analysis per ciascuno dei tre siti caratterizzati da diversi livelli di sismicità (alta sismicità per L'Aquila, moderata per Napoli e bassa per Milano) per catturare la variabilità nella domanda sismica e nella risposta strutturale in diverse condizioni di pericolosità; sviluppo di un flusso di lavoro computazionale strutturato e semi-automatizzato che collega OpenSees e MATLAB. L'approccio di modellazione implementa relazioni costitutive avanzate per calcestruzzo e acciaio, consentendo una rappresentazione realistica della non linearità del materiale e della modifica delle proprietà indotta dal deterioramento. I risultati dimostrano sostanziali alterazioni della risposta dinamica dovute alla riduzione della capacità portante e della duttilità strutturale. I risultati chiave, tra cui l'identificazione dei meccanismi di collasso dominanti tra le componenti strutturali e curve di fragilità sismica complete per diversi stati di danno e scenari di deterioramento, sono presentati e discussi. La metodologia sviluppata fornisce uno strumento operativo per la valutazione di ponti esistenti, supportando decisioni basate sull'evidenza per la manutenzione e il rafforzamento di infrastrutture critiche. Parole chiave: Fragilità sismica, corrosione indotta da carbonatazione, analisi probabilistica, valutazione di ponti, modellazione del deterioramento, dinamica non lineare