Investigating the behaviour of existing pier capping beams: a comparative study by adopting strut-and-tie and non-linear finite element approaches

Corrosion-related defects in existing concrete structures frequently lead to the eventual failure of unmaintained structures. Deciding on the analysis method to use, conducting an effective investigation within a limited budget, and accurately interpreting defects as variables in the analysis can be challenging. A case study of an existing pier capping beam that has deteriorated due to environmental factors is analysed to address these issues. A load analysis and an investigation are done to reverse-engineer the design problem and determine the beam's geometry and properties. The strut-and-tie method and non-linear finite element analysis using ATENA are used to analyse the beam, considering varying resistance parameters and material behaviour. Levels of deterioration are devised to analyse the state of the beam, spanning from no deterioration to surfaces subject to spalling. Reductions are applied to the reinforcement bar diameters to account for cross-sectional area loss, and bond slip laws are evaluated considering corrosion, as introduced in Model Code 2020 by FIB, based on the investigation results. The capping beam passes the ultimate limit state safety checks and demonstrates the effectiveness of the proposed defect and deterioration interpretation method. Both analysis methods arrive at the same conclusions, but with different levels of accuracy. The strut-and-tie method was found to yield more conservative results and to be sensitive to assumptions and simplifications. Non-linear finite analysis models are shown to be effective in replicating corrosion effects and illustrating their implications.

I difetti legati alla corrosione nelle strutture in calcestruzzo esistenti spesso portano al cedimento definitivo delle strutture non sottoposte a manutenzione. Può essere difficile decidere quale metodo di analisi utilizzare, condurre un'indagine efficace con un budget limitato e interpretare accuratamente i difetti come variabili nell'analisi. Per affrontare queste problematiche, viene analizzato un caso di studio di un pulvino su una pila esistente che si è deteriorato a causa di fattori ambientali. Vengono effettuate un'analisi del carico e delle indagini per determinare il problema di progettazione e la geometria e le proprietà del pulvino. Per analizzare il pulvino vengono utilizzati il metodo tirante e puntone e l'analisi non lineare agli elementi finiti con ATENA, tenendo conto dei vari parametri di resistenza e del comportamento dei materiali. Sono stati definiti livelli di deterioramento per analizzare lo stato del pulvino, che vanno da nessun deterioramento a distaccamento della superficie di calcestruzzo. Vengono applicate riduzioni ai diametri delle barre di armatura per tenere conto della perdita di area della sezione trasversale e, sulla base dei risultati delle indagini, vengono valutate le leggi di scorrimento del legame considerando la corrosione, come introdotte nel Codice Modello 2020 da FIB. Il pulvino viene verificato allo stato limite ultimo di sicurezza e dimostra l'efficacia del metodo di interpretazione dei difetti e del deterioramento proposto. Entrambi i metodi di analisi giungono alle stesse conclusioni, ma con livelli di accuratezza diversi. Il metodo tirante e puntone ha dato risultati più conservativi e si è rivelato più sensibile ad ipotesi e semplificazioni. I modelli di analisi non lineari ad elementi finiti si sono dimostrati efficaci nel simulare gli effetti della corrosione e nell'illustrarne le implicazioni.