La presente tesi vuol essere un contributo alla comprensione del comportamento strutturale di elementi in calcestruzzo armato in presenza di corrosione delle armature metalliche. Il fenomeno di degrado delle strutture in conglomerato cementizio armato per causa della corrosione è tra i più gravosi e più diffusi per le opere in servizio in Italia e nel mondo. Annualmente cospicui fondi vengono destinati per rimettere in sicurezza opere che, per il particolare ambiente in cui operano e/o a causa di una carente perizia progettuale, possono ritenersi fuori servizio o per lo meno con un livello di sicurezza inadeguato. Il presente lavoro si propone l’obiettivo di analizzare il fenomeno del danneggiamento , di individuare i principali effetti del degrado strutturale e di valutare, tramite modelli di calcolo appositamente sviluppati, il comportamento meccanico di elementi corrosi. Nel Capitolo 1 si analizzano i due principali meccanismi di corrosione e rispettivamente quella provocata dalla carbonatazione e quella dovuta alla presenza di cloruri. Per causa di entrambi, si può riconoscere per le strutture un periodo di innesco, durante il quale l’armatura metallica viene depassivata e un periodo di propagazione, durante il quale avviene l’attacco chimico sulle barre d’armatura vero e proprio. Nel Capitolo 2 vengono passati in rassegna i principali modelli per interpretare e simulare il comportamento in esercizio e in fase ultima di elementi in calcestruzzo armato semplicemente inflessi. Viene, in particolare, messo in evidenza il ruolo dell’aderenza sulla deformabilità in esercizio ed anche come il modello sezionale proposto dal Model Code 90 possa approssimare in modo più che soddisfacente le analisi condotte con i più raffinati “block models”. Nel Capitolo 3 vengono elencati i principali effetti di degrado dovuti alla corrosione e che riguardano: la riduzione di sezione resistente dell’acciaio dell’armatura, la riduzione di resistenza del calcestruzzo attraversato da armature per effetto dell’espansione dei prodotti corrosivi ed infine il degrado dell’aderenza, meccanismo responsabile del trasferimento degli sforzi tra acciaio e calcestruzzo. Il Capitolo 4 si apre con lo studio dell’effetto dell’azione simultanea dei meccanismi di degrado per valutare l’aumento di deformabilità delle travi semplicemente inflesse. In seguito, dopo alcune considerazioni circa la modifica del meccanismo resistente alla sollecitazione esterna per causa principalmente del degrado dell’aderenza, viene proposto il caso limite con il modello “unbonded”. In base a tale assunzione, in alcuni tratti di trave, per effetto della diminuzione di aderenza e per causa della specifica condizione e livello di carico, l’armatura risulta libera di scorrere e non trasferisce più alcuno sforzo di trazione al calcestruzzo. In tal modo viene apprezzata non solo una deformabilità maggiore ma anche un comportamento nettamente più fragile a rottura così come confermato dalle prove sperimentali ritrovate in letteratura ed effettuate su travi corrose artificialmente. Secondo tale modello infine, per garantire l’equilibrio delle forze e la congruenza delle deformazioni, tenendo conto che lungo il tratto unbonded la tensione nell’armatura metallica rimane costante, la deformazione del calcestruzzo in zona compressa presenta lungo l’elemento un gradiente maggiore e quindi tende a raggiungere il proprio limite di deformazioni più facilmente rendendo la rottura meno duttile. In conclusione del Capitolo viene proposta una procedura risolutiva per l’analisi di conci di trave inflessa, tenendo conto delle effettive condizioni di aderenza residua presenti. Alla base di tale analisi c’è l’ipotesi che il solo calcestruzzo in compressione abbia una deformazione piana, mentre il resto della sezione si deforma in ragione degli sforzi che tramite l’aderenza è possibile trasferire tra acciaio e calcestruzzo, tenendo conto delle condizioni al contorno. In tal modo il calcestruzzo armato viene considerato a tutti gli effetti una struttura composita mista. Nel Capitolo 5 i risultati e le considerazioni sviluppate per il modello unbonded vengono ripetute nel caso di strutture pressoinflesse per le quali, utilizzando leggi di resistenza dei materiali convenzionali si è valutata la riduzione di capacità portante. Infine viene proposta uno procedura di calcolo per valutare la capacità resistente residua su di una struttura complessa con elementi soggetti a corrosione. In conclusione, nel presente lavoro, si è cercato di interpretare il comportamento strutturale di elementi in conglomerato cementizio armato soggetti a corrosione sviluppando delle considerazioni che spiegassero le risultanze sperimentali in modo tale da poter valutare le strutture oggi esistenti e, sulla base di indagini in sito, di poter dare una stima della capacità portante e della sicurezza residua presente. The present thesis aims to deal with the structural behavior of reinforced concrete element in presence of rebar corrosion. The structural degradation of reinforced concrete structures caused by corrosion is the principal cause of deterioration and is widespread in Italy and in the world. Every year many founds are used for rehabilitation of structures in order to ensure an appropriate safety level. This present work analyzes the degrading action and evaluates the structural condition of corroded elements with a specific approach. In Chapter 1 the two principal corrosion mechanisms of corrosion caused by carbonation and chloride attack are considered. Because of their presence, it is possible to identify a initiation period in which rebars are depassivated and propagation period for the effective chemical attack and penetration. In Chapter 2 effective models able to simulate the service and ultimate structural behavior of reinforced concrete elements in bending are analyzed. In particular it is put in evidence bond’s rule in service deformability and the efficiency of sectional models like that proposed by Model Code 90 in comparison with the more refined “block models”. In Chapter 3 are considered the principal structural effect of corrosion: the reduction of the resistant section of steel, the reduction of compressive strength of concrete in compression because of the oxide lateral expansion and finally the change in efficiency for bond mechanism responsible for the mutual exchange of stress between concrete and steel. Chapter 4 analyzes the study of the simultaneous action of the different effects previously listed in order to evaluate the increasing deformability of beams in bending. In other to consider the changing behavior of the resistant mechanism, the limit model “unbonded” is proposed. From this assumption and in a specific load condition, reinforcement is able to slip across the unbonded block and the tension stiffening effect is neglected. In this situation both deformability and fragility are increased as confirmed by experimental test found in literature on artificial corroded beams. In this model, in order to ensure the force equilibrium and compatibility of deformation along the unbonded zone, tension in steel remains constant while the compressive deformation of concrete is reach an higher level making the structure less ductile. In conclusion, in the Chapter, a procedure for the analysis is proposed. The hypothesis of this behavior is that only in compressed concrete plane sections remain plane and the structure is considered as a composite structure. In Chapter 5 these assumption is used to analyze structures in combined bending and axial action in which, assuming conventional material laws the reduction of load carrying capacity is evaluated. In the present work the structural behavior of corroded structures is considered in order to give an explanation to the experimental results and to give an estimate of the residual safety level of reinforced concrete elements.

Comportamento strutturale di elementi in calcestruzzo armato soggetti a corrosione / Tondolo, Francesco. - (2007).

Comportamento strutturale di elementi in calcestruzzo armato soggetti a corrosione

TONDOLO, FRANCESCO
2007

Abstract

La presente tesi vuol essere un contributo alla comprensione del comportamento strutturale di elementi in calcestruzzo armato in presenza di corrosione delle armature metalliche. Il fenomeno di degrado delle strutture in conglomerato cementizio armato per causa della corrosione è tra i più gravosi e più diffusi per le opere in servizio in Italia e nel mondo. Annualmente cospicui fondi vengono destinati per rimettere in sicurezza opere che, per il particolare ambiente in cui operano e/o a causa di una carente perizia progettuale, possono ritenersi fuori servizio o per lo meno con un livello di sicurezza inadeguato. Il presente lavoro si propone l’obiettivo di analizzare il fenomeno del danneggiamento , di individuare i principali effetti del degrado strutturale e di valutare, tramite modelli di calcolo appositamente sviluppati, il comportamento meccanico di elementi corrosi. Nel Capitolo 1 si analizzano i due principali meccanismi di corrosione e rispettivamente quella provocata dalla carbonatazione e quella dovuta alla presenza di cloruri. Per causa di entrambi, si può riconoscere per le strutture un periodo di innesco, durante il quale l’armatura metallica viene depassivata e un periodo di propagazione, durante il quale avviene l’attacco chimico sulle barre d’armatura vero e proprio. Nel Capitolo 2 vengono passati in rassegna i principali modelli per interpretare e simulare il comportamento in esercizio e in fase ultima di elementi in calcestruzzo armato semplicemente inflessi. Viene, in particolare, messo in evidenza il ruolo dell’aderenza sulla deformabilità in esercizio ed anche come il modello sezionale proposto dal Model Code 90 possa approssimare in modo più che soddisfacente le analisi condotte con i più raffinati “block models”. Nel Capitolo 3 vengono elencati i principali effetti di degrado dovuti alla corrosione e che riguardano: la riduzione di sezione resistente dell’acciaio dell’armatura, la riduzione di resistenza del calcestruzzo attraversato da armature per effetto dell’espansione dei prodotti corrosivi ed infine il degrado dell’aderenza, meccanismo responsabile del trasferimento degli sforzi tra acciaio e calcestruzzo. Il Capitolo 4 si apre con lo studio dell’effetto dell’azione simultanea dei meccanismi di degrado per valutare l’aumento di deformabilità delle travi semplicemente inflesse. In seguito, dopo alcune considerazioni circa la modifica del meccanismo resistente alla sollecitazione esterna per causa principalmente del degrado dell’aderenza, viene proposto il caso limite con il modello “unbonded”. In base a tale assunzione, in alcuni tratti di trave, per effetto della diminuzione di aderenza e per causa della specifica condizione e livello di carico, l’armatura risulta libera di scorrere e non trasferisce più alcuno sforzo di trazione al calcestruzzo. In tal modo viene apprezzata non solo una deformabilità maggiore ma anche un comportamento nettamente più fragile a rottura così come confermato dalle prove sperimentali ritrovate in letteratura ed effettuate su travi corrose artificialmente. Secondo tale modello infine, per garantire l’equilibrio delle forze e la congruenza delle deformazioni, tenendo conto che lungo il tratto unbonded la tensione nell’armatura metallica rimane costante, la deformazione del calcestruzzo in zona compressa presenta lungo l’elemento un gradiente maggiore e quindi tende a raggiungere il proprio limite di deformazioni più facilmente rendendo la rottura meno duttile. In conclusione del Capitolo viene proposta una procedura risolutiva per l’analisi di conci di trave inflessa, tenendo conto delle effettive condizioni di aderenza residua presenti. Alla base di tale analisi c’è l’ipotesi che il solo calcestruzzo in compressione abbia una deformazione piana, mentre il resto della sezione si deforma in ragione degli sforzi che tramite l’aderenza è possibile trasferire tra acciaio e calcestruzzo, tenendo conto delle condizioni al contorno. In tal modo il calcestruzzo armato viene considerato a tutti gli effetti una struttura composita mista. Nel Capitolo 5 i risultati e le considerazioni sviluppate per il modello unbonded vengono ripetute nel caso di strutture pressoinflesse per le quali, utilizzando leggi di resistenza dei materiali convenzionali si è valutata la riduzione di capacità portante. Infine viene proposta uno procedura di calcolo per valutare la capacità resistente residua su di una struttura complessa con elementi soggetti a corrosione. In conclusione, nel presente lavoro, si è cercato di interpretare il comportamento strutturale di elementi in conglomerato cementizio armato soggetti a corrosione sviluppando delle considerazioni che spiegassero le risultanze sperimentali in modo tale da poter valutare le strutture oggi esistenti e, sulla base di indagini in sito, di poter dare una stima della capacità portante e della sicurezza residua presente. The present thesis aims to deal with the structural behavior of reinforced concrete element in presence of rebar corrosion. The structural degradation of reinforced concrete structures caused by corrosion is the principal cause of deterioration and is widespread in Italy and in the world. Every year many founds are used for rehabilitation of structures in order to ensure an appropriate safety level. This present work analyzes the degrading action and evaluates the structural condition of corroded elements with a specific approach. In Chapter 1 the two principal corrosion mechanisms of corrosion caused by carbonation and chloride attack are considered. Because of their presence, it is possible to identify a initiation period in which rebars are depassivated and propagation period for the effective chemical attack and penetration. In Chapter 2 effective models able to simulate the service and ultimate structural behavior of reinforced concrete elements in bending are analyzed. In particular it is put in evidence bond’s rule in service deformability and the efficiency of sectional models like that proposed by Model Code 90 in comparison with the more refined “block models”. In Chapter 3 are considered the principal structural effect of corrosion: the reduction of the resistant section of steel, the reduction of compressive strength of concrete in compression because of the oxide lateral expansion and finally the change in efficiency for bond mechanism responsible for the mutual exchange of stress between concrete and steel. Chapter 4 analyzes the study of the simultaneous action of the different effects previously listed in order to evaluate the increasing deformability of beams in bending. In other to consider the changing behavior of the resistant mechanism, the limit model “unbonded” is proposed. From this assumption and in a specific load condition, reinforcement is able to slip across the unbonded block and the tension stiffening effect is neglected. In this situation both deformability and fragility are increased as confirmed by experimental test found in literature on artificial corroded beams. In this model, in order to ensure the force equilibrium and compatibility of deformation along the unbonded zone, tension in steel remains constant while the compressive deformation of concrete is reach an higher level making the structure less ductile. In conclusion, in the Chapter, a procedure for the analysis is proposed. The hypothesis of this behavior is that only in compressed concrete plane sections remain plane and the structure is considered as a composite structure. In Chapter 5 these assumption is used to analyze structures in combined bending and axial action in which, assuming conventional material laws the reduction of load carrying capacity is evaluated. In the present work the structural behavior of corroded structures is considered in order to give an explanation to the experimental results and to give an estimate of the residual safety level of reinforced concrete elements.
2007
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