A framework for system reliability, updating and residual life assessment of existing concrete bridges subjected to corrosion

Sommario: Il progressivo invecchiamento del patrimonio di ponti a livello mondiale richiede una valutazione sistematica della loro sicurezza e una stima della vita utile residua. Allo stesso tempo, la necessità di perseguire sostenibilità ed efficienza economica spinge i gestori delle infrastrutture a prolungare l’utilizzo delle strutture esistenti, riducendo così le emissioni di gas serra e ottimizzando l’impiego delle risorse finanziarie. Per conseguire tali obiettivi, le procedure di valutazione devono quantificare le incertezze e supportare strategie razionali di ispezione, prova, monitoraggio, pianificazione degli interventi e progettazione. Questa tesi presenta un quadro metodologico completo per l’analisi di affidabilità di sistema e l’aggiornamento probabilistico finalizzato alla valutazione della vita utile di ponti in calcestruzzo soggetti a corrosione. Il framework integra la modellazione probabilistica con dati provenienti da ispezioni, prove e monitoraggio, consentendo la formulazione di modelli rappresentativi dell’effettivo stato di degrado. Il framework proposto sviluppa ulteriormente gli approcci esistenti modellando i ponti come sistemi gerarchici costituiti da modi di collasso, sezioni ed elementi, in grado di rappresentare le dipendenze e le interazioni tra i diversi meccanismi di degrado. L’impiego di informazioni di sopravvivenza e di fonti di dati eterogenee consente di ottenere stime probabilistiche della vita residua in grado di supportare concretamente la definizione delle priorità e la pianificazione degli interventi di manutenzione. L’applicabilità e la generalità del framework sono dimostrate attraverso due casi studio relativi, rispettivamente, a un impalcato in calcestruzzo post-teso e a uno in calcestruzzo armato. Per i ponti in calcestruzzo post-teso, il framework tiene conto della presenza di difetti e della variabilità spaziale della corrosione, mostrando come la modellazione probabilistica possa affinare le stime della vita utile e ottimizzare la pianificazione della manutenzione. Per i ponti in calcestruzzo armato, il framework integra i dati di monitoraggio mediante aggiornamento bayesiano, riducendo le incertezze e mettendo in evidenza il potenziale prolungamento della vita utile che valutazioni deterministiche o basate esclusivamente sulle informazioni a priori non sarebbero in grado di dimostrare. In entrambi i casi, le analisi di sensibilità e spaziali evidenziano come le strategie di ispezione debbano adattarsi all’estensione del degrado: inizialmente concentrandosi sulle sezioni maggiormente sollecitate e, con il progressivo propagarsi del degrado, coinvolgendo gradualmente l’intera trave. Questi risultati supportano una pianificazione adattiva delle ispezioni, che si concentra inizialmente sulle sezioni maggiormente sollecitate e si estende progressivamente alle altre regioni con il propagarsi del danno. L’integrazione dei calcoli di affidabilità sviluppati e dei risultati delle analisi di sensibilità può fornire contributi metodologici, gestionali e sociali, promuovendo una gestione dei ponti basata sui dati, economicamente efficiente e sostenibile, mantenendo al contempo livelli di sicurezza coerenti con gli standard internazionali di affidabilità strutturale. Abstract: The growing age of bridge inventories worldwide demands a systematic evaluation of their safety and estimation of their remaining service life. At the same time, the pursuit of sustainability and cost efficiency compels infrastructure managers to prolong the use of existing structures, thereby reducing greenhouse gas emissions and optimising financial resources. To achieve these objectives, assessment procedures must quantify uncertainty and guide rational strategies for inspection, testing, monitoring, intervention planning and design. This thesis presents a comprehensive system reliability and updating framework for the service-life assessment of concrete bridges affected by corrosion. The framework integrates probabilistic modelling with inspection, testing, and monitoring data, enabling the formulation of models that reflect actual degradation. The proposed framework advances existing approaches by modelling bridges as nested systems of failure modes, sections, and elements, capturing dependencies and interactions among degradation mechanisms. Using survival information and heterogeneous data sources enables probabilistic estimates of residual life that can meaningfully inform maintenance prioritisation and planning. The applicability and generality of the framework are demonstrated through two case studies on a post-tensioned and a reinforced concrete deck. For post-tensioned concrete bridges, it captures the occurrence of defects and spatially variable corrosion, demonstrating how probabilistic modelling can refine service-life estimates and optimise maintenance planning. For reinforced concrete bridges, the framework incorporates monitoring data through Bayesian updating, reducing uncertainty and revealing the potential for service-life extension that deterministic or prior assessments could not demonstrate. In both cases, sensitivity and spatial analyses highlight that inspection strategies should adapt to the extent of degradation: initially focusing on the most utilised sections while, as degradation spreads, progressively involving the entire girder. These results support adaptive inspection planning that focuses first on highly stressed sections and gradually extends to other regions as damage propagates. Integrating the reliability calculations provided and the sensitivity analysis outcomes can provide methodological, managerial, and societal contributions by promoting data-driven, cost-effective, and sustainable bridge management while maintaining safety consistent with international reliability standards.