Load-bearing capacity of concrete structures affected by local corrosion

• Research unit: FEDRO RBT
• Project number: BGT_25_03F_01

Key words (German)

Stahlbeton; lokale Korrosion; Resttragwiderstand; Restlebensdauer; Grossversuche; NLFE-Analysen

Key words (English)

Structural concrete; local corrosion; residual load-bearing capacity; residual service life; experimental testing; NLFE-Analyses

Short description (German)

Heute werden Stahlbetontragwerke oft bei ersten Anzeichen von Korrosionsschäden instandgesetzt – mutmasslich bevor die normgemässen Anforderungen nicht mehr erfüllt sind. Die tatsächliche Resttragsicherheit und Lebensdauer der Bauwerke bleiben dabei ungenutzt, da sie nicht zuverlässig quantifiziert werden können. Angesichts der wachsenden Zahl alternder Bauwerke, steigendem Verkehrsaufkommen und begrenzten Ressourcen besteht dringender Bedarf an robusten und praxisnahen Konzepten zur zutreffenden Beurteilung und gezielten Lebensdauerverlängerung mit minimalen Interventionen. 
Ein zentrales Problem ist die deutliche Reduktion des Verformungsvermögens bei lokaler Korrosion, was zu spröden Versagensmechanismen führt und die Anwendung gängiger Beurteilungsmethoden erschwert. Für eine realistische Bewertung muss daher das tatsächliche Last-Verformungsverhalten berücksichtigt werden. Nichtlineare finite Elemente-Analysen (NLFE) bieten hier einen vielversprechenden Ansatz, sofern geeignete Werkstoffmodelle und hinreichende Kenntnisse der Korrosionsparameter vorliegen. Im Rahmen des beantragten Forschungsprojekts werden mechanisch konsistente Modelle für das Last-Verformungsverhalten von Stahlbeton mit lokal korrodierter Bewehrung – bei nicht axialsymmetrischer Lochmorphologie und allgemeiner Beanspruchung – entwickelt, experimentell validiert und in ein NLFE-Programm implementiert. Ziel ist es, die Lebensdauer von Betonbauten mit minimalen Interventionen nachhaltig zu verlängern.

Short description (English)

Today, reinforced concrete structures are often retrofitted at the first signs of corrosion damage – presumably before the building code requirements regarding structural safety are infringed. The actual residual load-bearing capacity and service life of these structures remain unused, as they cannot be reliably quantified. Considering the increasing number of ageing structures, rising traffic volumes and limited resources, there is an urgent need for robust and practical concepts for pertinent assessment and targeted extension of service life with minimum interventions.
A central problem is the significant reduction in deformation capacity due to local corrosion, which leads to brittle failure mechanisms and hinders the application of conventional assessment methods. For a realistic analysis, the actual load-deformation behaviour must therefore be considered. Nonlinear finite element analyses (NLFE) offer a promising approach here, provided that suitable material models and sufficient knowledge of corrosion parameters are available.
Within the scope of the proposed research project, mechanically consistent models for the load-deformation behaviour of reinforced concrete with locally corroded reinforcement – accounting for non-axisymmetric corrosion morphology and general loading – will be developed, experimentally validated and implemented in an NLFE software. The aim is to sustainably extend the service life of concrete structures with minimal interventions.

Project aims (German)

Das Projekt soll dazu beitragen, dass die Lebensdauer von Betonbauten mit minimalen Interventionen verlängert werden kann. Auf letztere – insbesondere auf frühzeitige, einfache Massnahmen, welche das Fortschreiten kritischer Schadensmechanismen verlangsamen oder gar unterbinden – soll auch in Zukunft nicht verzichtet werden.
Um das übergeordnete Projektziel zu erreichen, werden die bestehenden Modellvorstellungen des Zuggurtmodells und des Gerissenen Scheibenmodells, jeweils mit Berücksichtigung axialsymmetrischer Korrosion, (i) um den Einfluss nicht-axialsymmetrischer Morphologie von Korrosionsstellen erweitert, (ii) experimentell validiert und (iii) in ein Werkstoffmodell für NLFE-Analysen implementiert. Darauf aufbauend soll abschliessend (iv) eine Methodik zur systematischen Überprüfung lokal korrodierter Bauwerke erarbeitet werden.

Project aims (English)

The project aims at contributing to extending the service life of concrete structures with minimum interventions. The latter – particularly early and simple measures that slow down or even prevent the progression of severe damage mechanisms – should continue to be implemented.
To achieve the overarching project goal, existing mechanical models – i.e., the Tension Chord Model and the Cracked Membrane Model, each considering axisymmetric corrosion – will be (i) expanded to account for the influence of non-axisymmetric corrosion morphology, (ii) experimentally validated and (iii) implemented into a material model for NLFE analyses. Finally, based on these results, (iv) a methodology for the systematic assessment of structures with local corrosion will be developed.