Effects of reinforcement corrosion on ductility and stress redistribution capacity in continuous reinforced concrete beams

La corrosión de las armaduras de acero en las estructuras de hormigón armado, producida por efecto de la agresividad ambiental, da lugar a pérdidas de sección de la armadura, variaciones en sus propiedades mecánicas y de su capacidad de deformación última, lo que puede conducir a una pérdida de rigidez, resistencia y ductilidad de las secciones. Además, la pérdida de contacto entre armadura y hormigón, especialmente cuando se produce un salto del recubrimiento, puede dar lugar a pérdidas de adherencia y a fallos en el anclaje. Todo ello puede conducir a reducción de la seguridad y funcionalidad estructural. En una estructura isostática, los anteriores aspectos conducen a una pérdida de seguridad prácticamente proporcional a las pérdidas de área y propiedades mecánicas producidas. Sin embargo, debido a su redundancia, las estructuras hiperestáticas tienen una capacidad de redistribución de esfuerzos entre las zonas más y menos rígidas que conlleva una reserva de resistencia estructural. Por tanto, las zonas que sufren corrosión se descargan y se cargan las menos afectadas, pudiendo seguir resistiendo la estructura sin un colapso inminente. Esta capacidad de redistribución depende de la ductilidad de las secciones críticas, por lo que puede verse afectada por la corrosión. Aparentemente, la pérdida de deformación última del acero conduce a una pérdida de ductilidad seccional y estructural, pero eso no es necesariamente así, pues la reducción de área y limite elástico dan lugar a secciones más dúctiles. Dar respuesta esta cuestión es el objetivo principal de esta tesis de master. A tal fin, se ha desarrollado un modelo teórico que permite obtener analíticamente las redistribuciones de esfuerzos y la carga última en vigas continuas de hormigón armado y que tiene en cuenta los parámetros más relevantes que gobiernan la respuesta estructural de este tipo de vigas. El modelo se ha aplicado al estudio de los efectos de la corrosión, analizando primero una serie de casos teóricos con corrosión en la parte inferior o superior de la estructura, con diversos grados de corrosión y diversas cuantías de armadura. Posteriormente, se han utilizado unos ensayos realizados en la UPC sobre armaduras corroídas, habiendo ajustado unas ecuaciones para la evolución de sus propiedades mecánicas en función del grado de corrosión. El modelo estructural teórico se ha aplicado para conocer la influencia de la corrosión en la capacidad portante de estructuras corroídas. Finalmente, el modelo teórico se ha verificado con los resultados de un análisis no lineal utilizando los datos experimentales previamente ajustados matemáticamente, habiendo obtenido una muy buena correlación con las predicciones del modelo teórico. Se concluye que, a falta de daños locales que pudieran afectar a la pérdida de anclaje o a roturas locales de las armaduras, la reducción de la deformación última de las armaduras no conlleva necesariamente a una reducción de ductilidad estructural, pues se ve compensada por el incremento de ductilidad debido a la reducción de área y de límite elástico de las armaduras de tracción corroídas. Obviamente en todos los casos la corrosión reduce la capacidad portante de la estructura, por lo que el modelo desarrollado puede ser muy útil para cuantificar de forma racional la pérdida de seguridad estructural por efecto de la corrosión en estructuras hiperestáticas.The corrosion of steel in reinforced concrete structures, produced by the effect of environmen- tal aggressiveness, gives rise to section losses of the reinforcement, variations in its mechanical properties and its ultimate deformation capacity, which can lead to a loss of stiffness, strength and ductility of the cross-sections. In addition, the loss of contact between reinforcement and concrete, especially when there is spalling of the concrete cover, can lead to loss of bond and failure of the anchor. All of this can lead to a reduction in safety and structural functionality. In statically determinate structures, the above aspects lead to a loss of safety practically propor- tional to the losses of area and mechanical properties produced. However, due to their redun- dancy, statically indeterminate structures have a capacity for force redistribution between the more and less stiff zones that entails a reserve of structural resistance. Therefore, the areas that suffer corrosion are unloaded and the least affected are loaded, and the structure can continue to resist without imminent collapse. This redistribution capacity depends on the ductility of the critical sections, so it can be affected by corrosion. Apparently, the loss of ultimate deformation of the steel leads to a loss of sectional and structural ductility, but this is not necessarily the case, since the reduction of area and elastic limit give rise to more ductile sections. Answering this question is the main objective of this master's thesis. To this end, a theoretical model has been developed that allows obtaining analytically the forces redistributions and the ultimate load in continuous reinforced concrete beams and that consid- ers the most relevant parameters that govern the structural response of this type of beams. The model has been applied to the study of the effects of corrosion, first analysing a series of theo- retical cases with corrosion in the lower or upper part of the structure, with different degrees of corrosion and different amounts of reinforcement. Subsequently, tests carried out at the UPC on corroded reinforcements have been used, having adjusted some equations for the evolution of their mechanical properties as a function of the degree of corrosion. The theoretical structural model has been applied to know the influence of corrosion on the bearing capacity of corroded structures. Finally, the theoretical model has been verified with the results of a non-linear analysis using the experimental data previously adjusted mathematically, having obtained a very good correlation with the predictions of the theoretical model. It is concluded that, in the absence of local damage that could affect the loss of anchorage or local failures of the reinforcements, the reduction in the ultimate deformation of the reinforcements does not necessarily lead to a reduction in structural ductility, since it is compensated by the increased ductility due to the reduction of area and elastic limit of corroded tensile reinforcements. Obviously, in all cases, corrosion reduces the bearing capacity of the structure, so the model developed can be very useful to rationally quantify the loss of structural safety due to the effect of corrosion in statically indeterminate structures