Numerical analysis of reinforced concrete beam subject to pitting corrosion

Abstract

Abstract This paper presents a numerical study about the effects of chloride-induced corrosion on the service life of structures. A two-dimensional geometrically nonlinear mechanical model based on Finite Element Method (FEM) was developed for reinforced concrete structures. The corrosion initiation stage was evaluated by Fick's diffusion laws. The corrosion propagation was carried out by deterministic models based on Faraday's law. Pitting corrosion was simulated in the reinforcements by pit elements, distributed longitudinally on the steel rebars, which degrade the physical properties over time. The service life was determined by the crack width.Two parametric analyses were performed. In the first analysis, five models were created with a variablecover thickness and water/cement ratio (w/c). In the second analysis, the reduction in yield stress due to corrosion was considered.The results showed that the concrete cover thicknessand the w/c ratio significantly influence the service life. The reduction of the cover thickness from 30 mm to 25 mm resulted in 21.26% reduction in service life, whilethe increase in the w/c ratio from 0.50 to 0.55 caused 32.98% reduction in service life of the structural element analyzed.Resumo Neste artigo é apresentado um estudo numérico sobre os efeitos da corrosão induzida por cloreto na vida útil de elementos estruturais. Um modelo mecânico bidimensional geometricamente não linear baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF) foi desenvolvido para a análise de estruturas de concreto armado. O estágio de iniciação da corrosão foi avaliado pelas leis de difusão de Fick. A propagação da corrosão foi realizada por modelos determinísticos baseados na lei de Faraday. A corrosão por pite foi simulada nas armaduras por elementos de pite, distribuídos longitudinalmente nas barras de aço, que degradam suas propriedades físicas ao longo do tempo. A vida útil foi determinada pela largura da fissura. Duas análises paramétricas foram realizadas. Na primeira análise, cinco modelos foram criados adotando diferentes cobrimentos e relação água/cimento (a/c). Na segunda análise considerou-se a redução da tensão de escoamento devido à corrosão. Os resultados mostraram que a espessura do cobrimento de concreto e a relação a/c influenciam significativamente na vida útil. A redução do cobrimento de 30 mm para 25 mm resultou em 21,26% de redução da vida útil, já o aumento da relação a/c de 0,50 para 0,55 ocasionou uma redução de 32,98% na vida útil do elemento estrutural analisado.