Seismic Response of Reinforced Concrete Structures Affected by Reinforcement Corrosion

Simioni, Paola

Durability of RC structures is a well known critical issue, since the deterioration of the materials may significantly compromise the structural performance. Experience shows that reinforcing steel corrosion is one of the major sources of degradation, increasing the structural vulnerability to extreme loads and natural hazards in terms of reduction of load bearing capacity and structural ductility, with noteworthy implications in seismic prone areas. To support decision makers with a better comprehension of the matter of safety assessment, the concept of risk management has recently become of great concern also in civil engineering, being already popular in other disciplines. A general approach has been developed within the IGC 802 to manage disaster risk and represents the backbone of this thesis, which is developed at two levels. At a ômicroö level a new bond law is proposed to describe the degradation of the bond-slip behaviour due to corrosion. At a ômacroö level the variation of the seismic response of a RC building affected by a carbonation attack respect to sound conditions is evaluated. In view of the high level of uncertainty involved, the research is carried out in a probabilistic context and, after performing sensitivity analyses, the structural risk is calculated as probability of occurrence of the hazards (earthquake and corrosion) times expected damage. The probability of corrosion initiation is derived from a detailed durability model, while the site-specific hazard maps are used to estimate the probability of an earthquake occurrence. Non linear static analyses are then performed to assess the expected damage in terms of reduction of structural ductility of the corroded building respect to the new one. Interestingly, if repeated at different time periods, the proposed methodology provides the risk trend over time for the considered construction, or alternatively it can be applied at a territory level to rank buildings in priority lists of intervention.

Die Dauerhaftigkeit von Stahlbetonbauwerken ist ein bekannter und ebenso kritischer Forschungsbereich, da durch die Baustoffschädigung die Tragfähigkeit signifikant gefährdet werden kann. Die Erfahrung zeigt, dass die Bewehrungskorrosion eine der Hauptursachen von Degradation, steigender Verletzlichkeit des Tragwerks in Form von Tragfähigkeits- und Duktilitätsverringerung bezüglich extremer Belastungen wie Naturkatastrophen insbesondere in Erdbebengebieten ist. Um Entscheidungsträger mit einem besseren Verständnis im Bereich von Sicherheitseinschätzungen zu unterstützen, erlangte das Konzept des Risikomanagements kürzlich auch im Bauingenieurwesen große Bedeutung, welches in anderen Disziplinen bereits sehr populär war. Ein allgemeines Verfahren wurde im Internationalen Graduiertenkollege 802 entwickelt, um Katastrophenrisiken zu managen. Es stellt die Basis dieser Dissertation dar und wird hier auf zwei Ebenen weiterentwickelt. Auf Mikroebene wird ein neues Verbundgesetz vorgeschlagen, um die Degradation des Verbundverhaltens zwischen Bewehrungsstahl und Beton infolge Bewehrungskorrosion zu beschreiben. Auf Makroebene wird die Änderung des seismischen Verhaltens von einer Karbonatisierung unterliegenden Stahlbetongebäuden bewertet und mit dem unbeschädigten Zustand verglichen. Im Hinblick auf das hohe Maß an enthaltenen Unsicherheiten beruht diese Forschungsarbeit auf probabilistischen Betrachtungen. Nach Sensitivitätsanalysen wird das Tragwerksrisiko berechnet, was sich aus der Wahrscheinlichkeit der Gefahrenursachen (Korrosion und Erdbeben) multipliziert mit dem erwarteten Schaden zusammensetzt. Die Wahrscheinlichkeit des Korrosionsbeginns ist von einem detaillierten Dauerhaftigkeitsmodel abgeleitet, während zur Abschätzung der Erdbebenwahrscheinlichkeit standortspezifische Erdbebenkarten genutzt werden. Der erwartete Schaden, in Form von Verringerung der Duktilität des korrodierten Bauwerks im Vergleich zum Unbeschädigten, wurde dann durch nichtlineare statische Berechnungen abgeschätzt. Wird dies für unterschiedliche Wiederkehrperioden wiederholt, erhält man mit der vorgeschlagenen Methode interessanterweise den Risikotrend über die Zeit für das untersuchte Tragwerk. Alternativ kann sie auch für ein Gebiet gleicher Erdbebenstärke angewendet werden, um Gebäude in Prioritätslisten für Risikoreduktionsinterventionen einzuordnen.

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Simioni, Paola: Seismic Response of Reinforced Concrete Structures Affected by Reinforcement Corrosion. 2009.

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