Numerical modeling and validation of corroded RC-columns under cyclic loading

This thesis presents a numerical investigation of the seismic performance of reinforced concrete columns subjected to reinforcement corrosion. An independent modeling framework is developed and validated on two benchmark specimens from the literature, N0 as the uncorroded control and N6 as the corroded case. The framework combines an ESFI element to capture shear and flexure interaction with FSAM panel elements for local shear response, together with the ConcreteCM constitutive model for concrete and the SteelMPF model for reinforcement. Corrosion is modeled through reinforcement area loss, reductions in mechanical properties, and, where relevant, explicit cover spalling. Bond slip is not included so that the study isolates the combined effects of material deterioration and section loss. The simulations reproduce the global cyclic responses of both specimens and their experimental envelopes. Peak lateral strength remains close to that of the control specimen, about 90 percent. Ductility, drift capacity, and cyclic energy dissipation decline markedly, in some cases to about one quarter of baseline values. The analyses also recover the shift from flexure dominated ductile behavior to shear dominated brittle failure. Taken together, these results show that strength alone can hide corrosion driven losses in deformability and energy dissipation, and the modeling approach provides a practical basis for reflecting these effects in seismic evaluation and in setting priorities for retrofit of existing reinforced concrete columns.

Questa tesi presenta un’indagine numerica del comportamento sismico di pilastri in calcestruzzo armato soggetti a corrosione delle armature. È stato sviluppato un approccio di modellazione indipendente, validato su due provini di riferimento tratti dalla letteratura: N0 come controllo non corroso e N6 come caso corroso. L’impostazione combina un elemento ESFI per cogliere l’interazione taglio-flessione con pannelli FSAM per la risposta locale a taglio, insieme al modello costitutivo ConcreteCM per il calcestruzzo e al modello SteelMPF per le armature. La corrosione è rappresentata attraverso la perdita di area dell’armatura, la riduzione delle proprietà meccaniche e, quando pertinente, la modellazione esplicita del distacco del copriferro. Gli effetti di scorrimento barra-calcestruzzo (bond slip) non sono considerati, così da isolare gli effetti combinati del degrado dei materiali e della perdita di sezione. Le simulazioni riproducono le risposte cicliche globali di entrambi i provini e i relativi inviluppi sperimentali. La resistenza laterale di picco rimane prossima a quella del provino di controllo, pari a circa il 90%. Duttilità, capacità di deriva e dissipazione di energia ciclica diminuiscono in modo marcato, in alcuni casi fino a circa un quarto dei valori di riferimento. Le analisi colgono inoltre il passaggio da un comportamento duttile dominato dalla flessione a una rottura fragile dominata dal taglio. Nel complesso, i risultati mostrano che la sola resistenza può mascherare perdite significative di deformabilità e capacità dissipativa indotte dalla corrosione, e che l’approccio di modellazione proposto offre una base pratica per recepire tali effetti nella valutazione sismica e nella definizione delle priorità di intervento per il rinforzo di pilastri esistenti in calcestruzzo armato.