Structural response of corrosion damaged RC members: numerical analyses and experimental investigation

Finozzi, Irene Barbara Nina

Diese Thesis befasst sich mit der Entwicklung eines Gesamtkonzept zur Beurteilung der strukturellen Verhalte von korrodierten Stahlbetonstrukturen. Um die Restsicherheit von beschädigt Strukturen zu bewerten, ist eine nicht linear Analysen durchgeführt worden. Zunächst ist ein Gesamt-modellierungs Ansatz entwickelt worden, um die lokalen Effekte von Korrosion auf Beton, Armierung und deren Anbindung zu untersuchen. Die Modellierung des Beton Material findet mit einem gekoppelt Umwelt-mechanische Schädigungsmodell der Literatur statt, verbessert um die Zersetzung von Beton durch Korrosion darzustellen. Der Einfluss der Korrosion auf die Armierung, wird anhand von Ergebnissen aus Zugversuchen untersucht und mit Ergebnissen aus der Literatur verglichen, um die Rest- Fläche und die mechanischen Eigenschaften abzuschätzen. Ein Modell, welches das vorzeitige knicken von korrodierten Armierung vorhersagt ist ebenfalls entwickelt worden. Es sind außerdem, drei verschiedenen Stress-slip Gesetz eingeführt worden, um die Zersetzung der Anbindung zu berücksichtigen. Im Folgenden sind zur Validierung verschiede Stahlbeton Elementen mit einem unterschiedlichen Grad an Korrosion simuliert worden. Durch die numerische Analyse der stahlbeton Träger, ist als Ursache für die Reduzierung der Belastbarkeit festgestellt worden, dass diese von der Restfläche der Stahlarmierung, von der Zersetzung des Beton und von der Qualität der Verankerung der Zugarmierung abhängen. Die Reduzierung der Duktilität von korrodierten Strukturen hängt besonders von der verbliebenden Duktilität des Beton Materials, Stahlarmierung und von der Zersetzung der Anbindung ab. Es ist festgestellt worden, dass die Zersetzung der Anbindung und das Versagen der quer Stahlarmierung zu einer Veränderung des Resistenzmechanismus führt. Des weiteren sind numerische Analysen von Stahlbeton Pfeilern durchgeführt worden. Unter Berücksichtigung der Riss Ausbreitung in Beton, dem Versagen der quer Stahlarmierung und dem vorzeitigen knicken der Stahlarmierung, lässt sich das Strukturverhalten besser vorhersagen. Das numerische Modell bildet das Verhalten von korrodierten Stahlbeton Elemente ab und zeigt eine gute Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Daten. Der vorgeschlagene Ansatz ist daher zur Bewertung und Vorhersage der Restsicherheit von korrodierten Strukturen geeignet.

This thesis deals with the development of a comprehensive approach for the assessment of the structural response of corroded reinforced concrete (RC) structures. In order to evaluate the residual level of safety of damaged structures, non-linear analyses, able to describe the evolution of the structural degradation, are required. First, a comprehensive modelling approach able to take into account the main local effects of corrosion on concrete, steel bars and bond was proposed. The concrete material was modelled with a coupled environmental–mechanical damage model of literature, enhanced for considering concrete degradation. Regarding the effects of corrosion on reinforcement, the results of tensile tests made by the Author were presented and compared with models of literature for the estimation of their residual area and mechanical properties. A model for considering premature buckling in corroded steel bars in compression was also developed. Furthermore, three different bond stress-slip laws were introduced to consider different bond degradation. Then, a number of corroded RC elements, at different levels of degradation, were simulated in order to validate the new formulations proposed. Regarding RC beams, through the numerical analyses, it was clarified that the reduction of load-carrying capacity in corroded RC structures is mainly related to the residual area of steel bars, to concrete degradation and to anchorage efficiency of tensile bars. The reduction of the global ductility of corroded structures was more dependent on the residual ductility of concrete material and steel bars and on bond degradation. Finally, it was observed that bond degradation and failure of transverse reinforcement may lead to a change of the resistant mechanisms. Regarding RC columns, the numerical analyses evidenced that the simulation of cracking concrete covers, stirrups failure and premature buckling of longitudinal bars, allow to better capture their structural response. In conclusion, the ability of the numerical model to capture the behaviour of corroded RC members, at different levels of degradation, was demonstrated, comparing the numerical results with experimental data. Therefore, the comprehensive approach proposed can be considered a suitable numerical tool for the evaluation and prediction of the residual safety of corroded existing structures.

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Finozzi, Irene: Structural response of corrosion damaged RC members: numerical analyses and experimental investigation. 2017.

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