Structural reliability assessment of existing Gerber girder schemes in a climate-changing environment

This study develops a probabilistic framework for the time-variant reliability assessment of existing reinforced concrete Gerber saddles under chloride-induced corrosion. Despite their historical use, Gerber saddles are susceptible to deterioration and brittle failure, as evidenced by past collapses. Current deterministic assessments often fail to account for uncertainties in material properties, loading, and resistance model, leaving a critical gap in predicting their remaining service life. To address this, the research uses four distinct Strut-and-Tie Models (STMs)—A, B, AB, and C—to represent different internal load-transfer mechanisms. A probabilistic capacity assessment is conducted via Monte Carlo Simulation (MCS) in MATLAB, incorporating uncertainties in concrete strength, steel yield strength, applied loads, and resistance model. The time-variant analysis employs a chloride diffusion model to estimate corrosion initiation time and a propagation model to simulate the progressive loss of reinforcement cross-sectional area in the critical inner nib region. The results identify STM AB, which effectively combines diagonal and orthogonal reinforcement mechanisms, as the most representative model, providing the highest lower-bound capacity. The probabilistic STM AB capacity (397 kN) showed strong agreement with experimental results (402.3 kN), validating the approach. The time-variant reliability analysis revealed that for a reference case, the structure remains above the target reliability index (β = 2.8) for approximately 35 years (up to 20% steel loss), while an increased reinforcement case extended the service life to about 61 years (up to 40% steel loss). In contrast, other STMs failed to meet the target reliability thresholds. The study concludes that a probabilistic framework combining STM, MCS, and corrosion modelling provides a robust and realistic tool for predicting the service life of Gerber saddles. This methodology offers asset managers a scientifically grounded approach for planning inspections and interventions, thereby enhancing the safety and sustainability of aging bridge infrastructure.

Questo studio sviluppa un quadro probabilistico per la valutazione dell'affidabilità tempo-variante di selle Gerber in calcestruzzo armato esistenti sottoposte a corrosione indotta da cloruri. Nonostante il loro utilizzo storico, le selle Gerber sono soggette a deterioramento e rottura fragile, come dimostrato dai crolli passati. Le attuali valutazioni deterministiche spesso non tengono conto delle incertezze nelle proprietà dei materiali, nei carichi e nel modello di resistenza, lasciando una lacuna critica nella previsione della loro vita utile residua. Per risolvere questo problema, la ricerca integra quattro distinti modelli Strut-and-Tie (STM) – A, B, AB e C – per rappresentare diversi meccanismi interni di trasferimento del carico. Una valutazione probabilistica della capacità viene condotta tramite simulazione Monte Carlo (MCS) in MATLAB, incorporando le incertezze nella resistenza del calcestruzzo, nello snervamento dell'acciaio, nei carichi applicati e nel modello di resistenza. L'analisi tempo-variante utilizza un modello di diffusione dei cloruri per stimare il tempo di innesco della corrosione e un modello di propagazione per simulare la progressiva perdita di area trasversale dell'armatura nella regione critica interna del nasello. I risultati identificano STM AB, che combina efficacemente meccanismi di rinforzo diagonali e ortogonali, come il modello più rappresentativo, fornendo la più elevata capacità limite inferiore. La capacità probabilistica di STM AB (397 kN) ha mostrato una forte concordanza con i risultati sperimentali (402,3 kN), convalidando l'approccio. L'analisi di affidabilità tempo-variante ha rivelato che, per un caso di riferimento, la struttura rimane al di sopra dell'indice di affidabilità target (β = 2,8) per circa 35 anni (fino al 20% di perdita di acciaio), mentre un caso di rinforzo aumentato ha esteso la vita utile a circa 61 anni (fino al 40% di perdita di acciaio). Al contrario, altri STM non sono riusciti a raggiungere le soglie di affidabilità target. Lo studio conclude che un quadro probabilistico che combina STM, MCS e modellazione della corrosione fornisce uno strumento robusto e realistico per prevedere la vita utile delle selle Gerber. Questa metodologia offre ai gestori patrimoniali un approccio scientificamente fondato per la pianificazione di ispezioni e interventi, migliorando così la sicurezza e la sostenibilità delle infrastrutture di ponti obsolete.