Cellular automata for diffusion analysis and corrosion modelling in concrete structures

Among the physical and chemical phenomena affecting the durability of Reinforced Concrete (RC) structures, chloride-induced corrosion is one of the most detrimental processes for the life-cycle structural capacity. The development of refined mathematical models describing the corrosion process and the mechanical damage induced to materials and members is essential for the assessment throughout the service life of RC structures exposed to aggressive marine environments or due to the de-icing salts. Diffusion is generally considered the predominant transport mechanism of chlorides into concrete members and the environmental conditions can largely affect in time its diffusivity. Corrosion initiation is then followed by a propagation phase and the mechanical damage rate also depends on environmental parameters. This thesis investigates the main driving phenomena and analytical models that capture the ingress of chlorides into concrete and the related damage induced to steel reinforcement and concrete cover. The diffusion process is numerically evaluated based on 1D and 2D cellular automata. Model sensitivity analyses are carried out to investigate the impact of influential environmental parameters on time-dependent concrete diffusivity and steel corrosion rate. The proposed modeling strategies are applied to archetype structural analysis problems, such as the limit analysis of a statically indeterminate RC beam and the moment-curvature response of a bridge deck RC cross-section.

Tra i fenomeni fisici e chimici che maggiormente influenzano la durabilità delle strutture in calcestruzzo armato, la corrosione da cloruri rappresenta uno dei processi più aggressivi nella valutazione della capacità strutturale a ciclo di vita. Lo sviluppo di modelli matematici che descrivano accuratamente l’evoluzione della corrosione e del relativo degrado delle proprietà meccaniche di materiali è un aspetto essenziale per la valutazione nell’arco della vita utile di elementi strutturali in calcestruzzo armato in ambiente marino o esposte a sali disgelanti. In questo contesto, la diffusione rappresenta il meccanismo predominante di trasporto dei cloruri all’interno della matrice cementizia, la cui diffusività può essere marcatamente influenzata dalle condizioni ambientali. L’innesco della corrosione governato dal processo diffusivo è quindi seguito dalla propagazione della corrosione e del relativo danneggiamento meccanico, anch’esso influenzato dalle caratteristiche ambientali. L’elaborato di tesi approfondisce i principali processi fenomenologici e modelli analitici relativi il processo diffusivo che governa l’innesco della corrosione da cloruri ed al relativo danno meccanico indotto su barre d’armature e copriferro. La soluzione numerica del problema diffusivo viene ottenuta mediante modellazione con automi cellulare monodimensionali e bidimensionali. L’influenza dei parametri ambientali sulla variabilità temporale della diffusività del calcestruzzo e del tasso di corrosione dell’armatura viene approfondita mediante analisi di sensitività alla modellazione. Le strategie di analisi proposte vengono infine utilizzate per l’analisi a ciclo di vita di problemi tipici di analisi di strutture in calcestruzzo armato, quali la valutazione della capacità portante mediante analisi limite di una trave iperstatica e la risposta non-lineare in flessione semplice di un impalcato da ponte.