Predicción del agrietamiento inducido por corrosión en hormigón armado mediante modelización por elementos finitos

José H. Castorena-González; Citlalli Gaona-Tiburcio; David M. Bastidas; Rosa E. Núñez-Jáquez; José M. Bastidas; Facundo M. Almeraya-Calderón

doi:10.3989/revmetalm.150

Autores/as

José H. Castorena-González Universidad Autónoma de Sinaloa (UAS) https://orcid.org/0000-0001-9978-4455
Citlalli Gaona-Tiburcio Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME - Centro de Innovación e Investigación en Ingeniería Aeronáutica https://orcid.org/0000-0001-9072-3090
David M. Bastidas National Center for Education and Research on Corrosion and Materials Performance, NCERCAMP-UA, Dept. Chemical, Biomolecular, and Corrosion Engineering, The University of Akron https://orcid.org/0000-0002-8720-7500
Rosa E. Núñez-Jáquez Universidad Autónoma de Sinaloa (UAS) https://orcid.org/0000-0003-2330-6187
José M. Bastidas Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas (CENIM, CSIC) https://orcid.org/0000-0001-9616-0778
Facundo M. Almeraya-Calderón Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME - Centro de Innovación e Investigación en Ingeniería Aeron https://orcid.org/0000-0002-3014-2814

DOI:

https://doi.org/10.3989/revmetalm.150

Palabras clave:

Agrietamiento hormigón, Armaduras acero, Corrosión localizada, Espesor recubrimiento hormigón, Método elementos finitos, Modelización, Profundidad penetración corrosión

Resumen

Este trabajo propone un método de elementos finitos (FE) para calcular la profundidad de penetración por corrosión (r_crit) en las armaduras de acero, necesaria para originar la aparición de la primera grieta visible en el recubrimiento de hormigón. El análisis por FE se ha llevado a cabo utilizando el programa comercial ANSYS. El método de FE obtenido se ha desarrollado en función del espesor del recubrimiento de hormigón libre (C), el diámetro de la armadura (D), la longitud de la zona anódica (L), y el tipo de hormigón. Los resultados obtenidos muestran una gran influencia de la corrosión localizada (pequeñas zonas anódicas frente a grandes zonas catódicas) en la predicción del valor de r_crit. Esta influencia sólo puede ser analizada tridimensionalmente. El modelo de FE propuesto se validó utilizando datos de la bibliografía. La originalidad del procedimiento propuesto radica en la consideración de la dirección longitudinal en el análisis, para tener en cuenta la extensión de la zona anódica. El tipo de corrosión tiene una gran dependencia de la relación entre C/L, ocasionando corrosión uniforme para valores entre 0,02 < C/L < 0,1, y originando corrosión localizada para valores entre 0,5 < C/L < 4,0.

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Citas

ACI 318M?08 (2008). Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary, American Concrete Institute, Farmington Hill, Michigan.

Ahmad, A. (2003). Reinforcement corrosion in concrete structures, its monitoring and service life prediction-A review. Cement. Concrete Comp. 25 (4?5), 459?471. https://doi.org/10.1016/S0958-9465(02)00086-0

Andrade, C., Alonso, C., Molina, F.J. (1993). Cover cracking as a function of bar corrosion; Part I-Experimental test. Mater. Struct. 26 (8), 453?464. https://doi.org/10.1007/BF02472805

Balafas, I., Burgoyne, C.J. (2010). Environmental effects on cover cracking due to corrosion. Cement. Concrete Res. 40 (9), 1429?1440. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2010.05.003

Balafas, I., Burgoyne, C.J. (2011). Modelling the structural effects of rust in concrete cover. J. Eng. Mech. 137 (3), 175?185. https://doi.org/10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000215

Ba?ant, Z.P. (1979). Physical model for steel corrosion in concrete sea structures application. J. Struct. Div.-ASCE 105 (6), 1155-1166.

Bhargava, K., Ghosh, A.K., Mori, Y., Ramanujam, S. (2005). Modelling of time to corrosion-induced cover cracking in reinforced concrete structures. Cement. Concrete Res. 35 (1), 2203?2218. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2005.06.007

Busba, E., Sagües, A.A. (2013). Critical localized corrosion penetration of steel reinforcement for concrete cover cracking. NACE, Corrosion 2013 Conference, Paper No. 2747. http://www.eng.usf.edu/~sagues/Documents/Nace%2013%202747%20Critical%20Local%20Corr%20Penetr%20Crack.pdf.

Castorena, J.H. (2007). Modelación con Elemento Finito del Daño por Corrosión en Estructuras de Hormigón Reforzado, PhD Thesis, Centro de Investigación en Materiales Avanzados (CIMAV), Universidad Autónoma de Nuevo León, Nuevo León, México.

Castorena, J.H., Almeraya-Calderón, F., Velásquez, J.L., Gaona-Tiburcio, C., Cárdenas, A.I.; Barrios-Durstewitz, C., López-León, L., Martínez-Villafañe, A. (2008). Modeling the time-to-corrosion cracking of reinforced concrete structures by finite element. Corrosion 64 (7), 600?606. https://doi.org/10.5006/1.3278495

Chung, L., Najm, H., Balaguru, P. (2008). Flexural behavior of concrete slabs with corroded bars. Cement. Concrete Comp. 30 (3), 184?193. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2007.08.005

Elsener, B. (2002). Macrocell corrosion of steel in concrete-implications for corrosion monitoring. Cement. Concrete Comp. 24 (1), 65?72. https://doi.org/10.1016/S0958-9465(01)00027-0

Fajardo, S., Sánchez-Deza, A., Criado, M., La Iglesia, A., Bastidas, J.M. (2014). Corrosion of steel embedded in fly ash mortar using a transmission line model. J. Electrochem. Soc. 161 (8), E3158?E3164. https://doi.org/10.1149/2.019408jes

García, J., Almeraya, F., Barrios, C., Gaona, C., Núñez, R., López, I., Rodríguez, M., Martínez-Villafañe, A., Bastidas, J.M. (2012). Effect of cathodic protection on steel-concrete bond strength using ion migration measurements. Cement. Concrete Comp. 34 (2), 242?247. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2011.09.014

González, J.A., Benito, M., Feliu, S., Rodríguez, P., Andrade, C. (1995). Suitability of assessment methods for identifying active and passive zones in reinforced concrete. Corrosion 51 (2), 145?152. https://doi.org/10.5006/1.3293586

González, J.A., Ramírez, E., Bautista, A., Feliu, S. (1996). The behavior of pre-rusted steel in concrete. Cement. Concrete Res. 26 (3), 501?511. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(96)85037-X

Hutchinson, J.W., Suo, Z. (1992). Mixed mode cracking in layered materials. In Advances in Applied Mechanics, Vol. 29, Hutchinson, J.W., Wu, T.Y. (Eds.), Academic Press, San Diego, CA, pp. 63-91. https://doi.org/10.1016/S0065-2156(08)70164-9

Jaegermann, C. (1990). Effect of water-cement ratio and curing on chloride penetration into concrete exposed to Mediterranean-sea climate. ACI Mater. J. 87 (4) 333?339. https://doi.org/10.14359/2039

Liu, Y., Weyers, R.E. (1998a). Modeling the time-to-corrosion cracking in chloride contaminated reinforced concrete structures. ACI Mater. J. 95 (6), 675?681. https://doi.org/10.14359/410

Liu, T., Weyers, R.W. (1998b). Modeling the dynamic corrosion process in chloride contaminated concrete structures. Cement. Concrete Res. 28 (3), 365-379. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(98)00259-2

Martín-Pérez, B. (1999). Service life modelling of RC highway structures exposed to chlorides. PhD Dissertation, University of Toronto, Toronto.

Mohyeddin, A., Goldsworthy, H.M., Gad, E.F. (2013). FE modelling of RC frames with masonry infill panels under in-plane and out-of-plane loading. Eng. Struct. 51, 73?87. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2013.01.012

Molina, F.J., Alonso, C., Andrade, C. (1993). Cover cracking as a function of rebar corrosion. Part 2-Numerical model. Mater. Struct. 26 (9), 532?548. https://doi.org/10.1007/BF02472864

Oh, B.H., Kim, K.H., Jang, B.S. (2009). Critical corrosion amount to cause cracking of reinforced concrete structures. ACI Mater. J. 106 (4), 333-339. https://doi.org/10.14359/56653

Pantazopoulou, S.J., Papoulia, K.D. (2001). Modelling cover-cracking due to reinforcement corrosion in RC structures. J. Eng. Mech. 127 (4), 342?351. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9399(2001)127:4(342)

Popovics, S. (1973). A numerical approach to the complete stress-strain curve of concrete. Cement. Concrete Res. 3 (5), 583?599. https://doi.org/10.1016/0008-8846(73)90096-3

Raupach, M. (1996). Chloride-induced macrocell corrosion of steel in concrete-theoretical background and practical consequences. Constr. Build. Mater. 10 (5), 329?338. https://doi.org/10.1016/0950-0618(95)00018-6

Sánchez-Deza, A., Bastidas, D.M., La Iglesia, A., Bastidas, J.M. (2017). A simple thermodynamic model on the cracking of concrete due to rust formed after casting. Anti-Corros. Method. Mater. 64 (3), 335?339. https://doi.org/10.1108/ACMM-11-2015-1602

Sánchez-Deza, A., Bastidas, D.M., La Iglesia, A., Mora, E.M., Bastidas, J.M. (2018). Service life prediction for 50-year-old buildings in marine environments. Rev. Metal. 54 (1), e111. https://doi.org/10.3989/revmetalm.111

Thorenfeldt, E., Tomaszewicz, A., Jensen, J.J. (1987). Mechanical properties of high-strength concrete and applications in design. Proc. Symposium on Utilization of High-Strength Concrete, Tapir, Trondheim, Norway, pp. 149?159.

Timoshenko, S., Goodier, J. (1970). Theory of Elasticity. McGraw-Hill International Book Company, New York, pp. 41?46.

Torres-Acosta, A., Sagües, A. (2004). Concrete cracking by localized steel corrosion - geometric effects. ACI Mater. J. 101 (6), 501?507. https://doi.org/10.14359/13489

Vu, K., Stewart, M.G., Mullard, J. (2005). Corrosion-induced cracking: experimental data and predictive models. ACI Struct. J. 102 (5), 719-726. https://doi.org/10.14359/14667

Wang, C.T. (1953). Applied Elasticity. McGraw-Hill International Book Company, New York.

Zhang, J., Ling, X., Guan, Z. (2017). Finite element modeling of concrete cover crack propagation due to non-uniform corrosion of reinforcement. Constr. Build. Mater. 132 (2), 487-499. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.12.019