Experimental and numerical study of the structural effects of steel corrosion in continuous RC beams
Authors:   , Fernández Pérez Ignasi 
Published: July 2023

Many reinforced concrete structures suffer damage due to aging and due to the environmental agressivity, thus affecting their serviceability performance and safety. Structural evaluation of a deteriorated structure is necessary to assess the actual structure state, to determine whether the structure should be strengthened or demolished and to optimize the interventions required to guarantee its serviceability and safety.
In the case of statically indeterminate structures, as many of the existing bridges and buildings, the damage produced by local or general deterioration processes may affect the whole structure state of forces, stresses and cracks. However, even though the difficulties to adequately assess such type of structures very scarce resarch works have been done, up to now, in this field.
The present research aims to contribute to those goals presenting an extensive experimental campaign, at the material and at the structural levels. Furthermore, theoretical and numerical studies based on mechanical non-linear models were performed in order to reproduce the observed experimental behaviour and to contribute to the modelling of the performance of deteriorated structures.
The global effects of the structural damage were addressed by means of an experimental study, which encompassed twelve continuous two span large-scale beams. The cast beams divided in four groups of three beams each were submitted to different corrosion levels; one group was left uncorroded. Each beam was loaded with different sustained loads to assess its effect when corrosion phenomena took place. Thereafter, the beams were unloaded and loaded again up to failure.
On the other hand, the local effects of steel corrosion were analysed by means of two different experimental studies. The first study encompassed more than 192 corroded steel bars. The specimens were cleaned, and after, characterized under cyclic and monotonic loads. The second study encompassed 48 cubic concrete specimens with embedded steel reinforcement bars. Different concrete types were used, including recycled aggregate concretes. The steel was submitted to accelerated corrosion and thereafter the effect of corrosion on the bond behaviour was assessed.
Finally, modelling of the mechanical properties of corroded steel bars and bond in concrete was done. A model to evaluate the corroded steel reinforcement mechanical properties, s-e and fatigue life, was developed. In addition, the 3D scan novel technique was used to characterise the outer surface of corroded steel bars, by which the study of the corrosion pitting distribution and the critical cross-section was possible.
Corrosion of steel reinforcement produced a substantial increment of the deflections as well as the stresses at the steel, both in the corroded and the uncorroded regions, due to the redistributions that took place in the continuous beams as a consequence of the loss of steel section. Furthermore, the redundancy of the structure provided them an extra load capacity with respect to a statically determinate beam. On the other hand, the ultimate load capacity was severely reduced.
A non-linear reduction of the corroded steel mechanical properties was found. Yielding and ultimate stresses described a good correlation with respect to the corrosion level. However, the results for modulus and ultimate strain presented more dispersion.
Bond capacity of recycled concrete aggregates was showed to be similar to natural aggregate concretes. Nevertheless, in corroded specimens, recycled aggregate concretes showed better performance describing lower ultimate bond reduction with respect to those of conventional concrete.
The presented mechanical model defined with an excellent reliability yielding and ultimate stresses for corroded bars up to 60% of corrosion levels. The statistical model presented for the pitting depth allowed to define the upper and lower bounds of the pitting depth regarding to corrosion level.
Muchas estructuras de hormigón armado sufren daños debido a los cambios medioambientales, los cuales afectan la serviciabilidad y la seguridad de éstas. La evaluación estructural del deterioro es necesaria para identificar el estado actual de una estructura, determinar si es necesario reforzar o demoler i optimizar el tipo de intervención requerida, garantizando su serviciabilidad y seguridad. En el caso de estructuras hiperestáticas, comunmente empleadas, el daño producido por los procesos de deterioro local o generalizado puede afectar las fuerzas de la estructura, las tensiones y las fisuras. Sin embargo, debido a las dificultades para evaluar adecuadamente este tipo de elementos se ha llevado a cabo escasa investigación al respecto en este campo. La presente investigación pretende contribuir a estos objetivos mediante la presentación de una extensa campaña experimental, a nivel material y estructural. Además, se llevaron a cabo estudios teóricos y numéricos mediante modelos mecánicos no lineales para poder reproducir el comportamiento experimental observado y así contribuir en el modelado del comportamiento de estructuras deterioradas. Los efectos globales del daño estructural fueron evaluados mediante una campaña experimental, la cual engloba doce vigas continuas de dos vanos a gran escala. Las vigas se dividieron en cuatro grupos de tres elementos cada uno, sometidos a diferentes grados de corrosión, excepto uno de los cuales se dejó sin corroer para comparar. Cada viga fue cargada con un nivel de carga diferente para evaluar también los efectos de la misma durante la corrosión. Posteriormente, las vigas fueron descargadas y cargadas de nuevo hasta rotura. Por otro lado, los efectos locales de la corrosión de armaduras fueron también analizados mediante dos campañas experimentales adicionales. La primera incluye más de 192 especímenes de barras corroídas. Las barras fueron limpiadas y caracterizadas bajo cargas cíclicas o monotónicas. El segundo estudio abarca 48 elementos cúbicos de hormigón con barras de acero embebidas y sometidas a diferentes grados de corrosión. Además se han utilizado diferentes tipos de hormigón, como hormigón con áridos reciclados (HAR). Una vez alcanzados los niveles de corrosión deseados se ha determinado el efecto de la corrosión sobre la tensión de adherencia acero-hormigón. Finalmente, se mejoró un modelo para determinar las propiedades mecánicas del acero corroído, obteniendo las curvas s-e y de fatiga para un amplio rango de grados de corrosión. Además, mediante la aplicación de una novedosa técnica como el "3D scan" se obtubo con gran nivel de detalle la superficie de diferentes barras corroídas, mediante el análisis de los datos fue posible estudiar la forma de las picadura, su distribución y la definición de la sección crítica. La corrosión de las armaduras produjo un incremento notable en las deformaciones observadas en la estructura. Así mismo las tensiones en el acero se vieron afectadas, produciéndose importantes redistribuciones entres las zonas corroídas y no corroídas de la estructura. Gracias a la redundancia de las vigas se observó un incremento de capacidad de las mismas respecto a vigas isostáticas. Por otro lado, la carga última se vio reducida de manera importante. Las propiedades mecánicas del acero describieron una reducción no lineal respecto al grado de corrosión. Tanto el límite elástico como la tensión última describieron una buena correlación con el nivel de corrosión. Sin embargo, los valores obtenidos para la deformación última así como el módulo elástico presentaron mucha dispersión. La capacidad adherente de los HAR fue similar a la del hormigón convencional. No obstante, los HAR con corrosión, presentaron un mejor comportamiento en cuanto a adherencia máxima. El modelo mecánico presentado ajustó perfectamente la tensión de plastificación y la tensión última de barras corroídas.