A Study on Existing Prestressed Concrete Beams under Chloride-induced Corrosion

Abstract

Corrosion of steel reinforcements is nowadays considered as one of the leading causes of the durability and performance reduction of existing reinforced (RC) and prestressed (PC) concrete structures and infrastructures. Moreover, most of the structural and infrastructural heritage has already exceeded its service life and has been characterized by evident sign of deterioration. The combination of these factors leads to the structural capacity reduction of existing RC and PC members over time, sometimes causing unexpected failures due to the lack of bending, shear or anchorage resistance. These latter failures may occur without warning signs, resulting in a great potential for life losses and causing a significant economic impact. Recent collapses, occurred worldwide, have emphasized the urgent need for reliable and stringent maintenance protocols as well as simplified analytical models capable of assessing the residual structural capacity of deteriorating RC and PC members, making the corrosion topic of great interest among the scientific community. Despite the possible corrosion forms, in the case of PC members, the chloride-induced corrosion can lead to the worst consequences, since pitting can cause stress concentration and strain localization of prestressing wires, generally subjected to initial high mechanical stresses. Although recent experimental, numerical and analytical studies have been conducted on RC members, the knowledge on PC structures subjected to corrosion is still uncertain and scarce. To partially extend the current knowledge, the present Thesis investigates several naturally corroded PC beams subjected to 10 years of sea water wet-dry cycles. The study aims to evaluate the influence of corrosion on the residual structural performance. To this end, two un-corroded PC beam specimens were manufactured with the same type of concrete and curing conditions and subsequently tested to be a reference for the quantification of corrosion effects. Second, the Thesis defines analytical constitutive laws for the prediction of the residual mechanical behaviour of corroded prestressing strands. Based on tensile tests and pitting morphology spatial variability analyses, two constitutive laws, namely CPS- and SCPS-models, were proposed to predict the tensile force-strain or stress-strain relationship of a corroded strand. The SCPS-model, is a simplified version of the CPS-model designed for the daily engineering practice and conceived on a single input parameter that is the maximum penetration depth of the most corroded wire. Finally, an analytical approach for assessing the residual flexural and shear capacity of corroded PC beams without transversal reinforcement is proposed. The accuracy and the effectiveness of the proposed models were validated through the comparison with experimental tests. Moreover, a preliminary partial safety factor for the design strength of corroded strands is determined following the probabilistic estimation of the SCPS-model uncertainties. To conclude, the main observations, the future research as well as the needed improvements are outlined.

La corrosione delle armature in acciaio è oggi considerata una delle principali cause di riduzione della durabilità e prestazione di strutture e infrastrutture esistenti in cemento armato (CA) e cemento armato precompresso (CAP). Inoltre, la maggior parte del patrimonio strutturale e infrastrutturale ha già superato la propria vita utile ed è caratterizzato da evidenti segni di deterioramento. La combinazione di questi fattori induce, di conseguenza, la riduzione della capacità portante degli elementi in CA e CAP nel corso del tempo, causando - talvolta - cedimenti inaspettati dovuti alla mancanza di resistenza a flessione, a taglio o all'ancoraggio. Queste modalità di rottura possono avvenire senza segnali premonitori, inducendo un elevato rischio in termini di perdite di vite umane e determinando un significativo impatto economico. Negli ultimi decenni, crolli di edifici e ponti in CAP si sono verificati in tutto il mondo evidenziando l'urgente necessità di protocolli di manutenzione affidabili e rigorosi, nonché la formulazione di modelli analitici semplificati in grado di valutare la capacità strutturale residua di elementi strutturali deteriorati, promuovendo il tema della corrosione come un argomento di grande interesse per la comunità scientifica. A dispetto delle molteplici forme di corrosione possibili, nel caso di elementi in CAP, le conseguenze peggiori sono indotte dalla corrosione da cloruri, in quanto il pitting può causare concentrazioni tensionali e localizzazione delle deformazioni in fili da precompressione, che risultano abitualmente sottoposti a elevate sollecitazioni meccaniche iniziali. Sebbene recenti studi sperimentali, numerici e analitici siano stati condotti su elementi in CA, le conoscenze riguardo strutture corrose in CAP si rivelano essere ancora incerte e limitate. Al fine di estendere le attuali conoscenze, la presente tesi analizza travi in CAP corrose naturalmente e sottoposte a 10 anni di cicli di bagnatura e asciugatura con acqua di mare. Lo studio mira a indagare l’influenza della corrosione sulle prestazione strutturali residue. A tal fine, due campioni non corrosi di travi in CAP sono stati realizzati con lo stesso tipo di calcestruzzo e condizioni di maturazione, successivamente testati per essere da riferimento per la quantificazione degli effetti associati alla corrosione. In secondo luogo, la tesi definisce legami costitutivi per la previsione del comportamento meccanico residuo dei trefoli da precompressione corrosi. Sulla base di prove di trazione e l’analisi della variabilità spaziale della morfologia da pitting, due legami costitutivi, denominati modello CPS e modello SCPS, sono stati proposti per prevedere la relazione forza-deformazione o tensione-deformazione di un trefolo corroso. Il modello SCPS è una versione semplificata del modello CPS per la pratica ingegneristica quotidiana ed è concepito sulla base di un unico parametro di input che è la massima profondità di penetrazione del filo più corroso. Infine, un approccio analitico è stato definito per la valutazione della capacità residua flessionale e di taglio di travi corrose in CAP prive di armatura trasversale. L’accuratezza e le potenzialità dei modelli proposti sono stati validati tramite il confronto con prove sperimentali. Inoltre, la stima su base probabilistica delle incertezze di modello - associate all’utilizzo del modello SCPS - ha consentito la determinazione preliminare di un coefficiente parziale di sicurezza da adottare per la stima della resistenza di progetto di trefoli corrosi. In conclusione, sono state delineate le principali osservazioni, le ricerche future e i miglioramenti necessari.