Resumo Neste artigo é apresentado um estudo numérico sobre os efeitos da corrosão induzida por cloreto na vida útil de elementos estruturais. Um modelo mecânico bidimensional geometricamente não linear baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF) foi desenvolvido para a análise de estruturas de concreto armado. O estágio de iniciação da corrosão foi avaliado pelas leis de difusão de Fick. A propagação da corrosão foi realizada por modelos determinísticos baseados na lei de Faraday. A corrosão por pite foi simulada nas armaduras por elementos de pite, distribuídos longitudinalmente nas barras de aço, que degradam suas propriedades físicas ao longo do tempo. A vida útil foi determinada pela largura da fissura. Duas análises paramétricas foram realizadas. Na primeira análise, cinco modelos foram criados adotando diferentes cobrimentos e relação água/cimento (a/c). Na segunda análise considerou-se a redução da tensão de escoamento devido à corrosão. Os resultados mostraram que a espessura do cobrimento de concreto e a relação a/c influenciam significativamente na vida útil. A redução do cobrimento de 30 mm para 25 mm resultou em 21,26% de redução da vida útil, já o aumento da relação a/c de 0,50 para 0,55 ocasionou uma redução de 32,98% na vida útil do elemento estrutural analisado.

Abstract This paper presents a numerical study about the effects of chloride-induced corrosion on the service life of structures. A two-dimensional geometrically nonlinear mechanical model based on Finite Element Method (FEM) was developed for reinforced concrete structures. The corrosion initiation stage was evaluated by Fick's diffusion laws. The corrosion propagation was carried out by deterministic models based on Faraday's law. Pitting corrosion was simulated in the reinforcements by pit elements, distributed longitudinally on the steel rebars, which degrade the physical properties over time. The service life was determined by the crack width.Two parametric analyses were performed. In the first analysis, five models were created with a variablecover thickness and water/cement ratio (w/c). In the second analysis, the reduction in yield stress due to corrosion was considered.The results showed that the concrete cover thicknessand the w/c ratio significantly influence the service life. The reduction of the cover thickness from 30 mm to 25 mm resulted in 21.26% reduction in service life, whilethe increase in the w/c ratio from 0.50 to 0.55 caused 32.98% reduction in service life of the structural element analyzed.

RESUMO A degradação do concreto por fadiga está relacionada a deterioração e danificação do material compósito quando submetido a carregamento cíclico. De modo geral, é observado que a deterioração do material ao ser submetido a ensaios dinâmicos, ocorre semelhantemente ao de concretos avaliados por ensaios estáticos, entretanto, o modo de propagação de fissuras, a velocidade de propagação e o dano podem ser diferentes em função da taxa de carregamento aplicado. Sabendo disso, este trabalho apresenta uma investigação experimental com objetivo de avaliar a influência da frequência de carregamento, intensidade da carga e resistência à compressão do material, no comportamento à fadiga do concreto. Ensaios foram realizados considerando três frequências de carregamento (0,125, 0,25 e 0,5 Hz), dois níveis de tensão máxima (50% e 70% da resistência à compressão) e concretos com três classes de resistência (30, 50 e 70 MPa). Os resultados encontrados apontam que à medida que a frequência de carregamento é aumentada, a vida útil à fadiga cresce exponencialmente. No entanto, observou-se que a vida útil à fadiga é menor em concretos de alta resistência, e que a vida útil à fadiga possui uma relação inversa com a resistência à compressão.

ABSTRACT The degradation of concrete by fatigue is related to deterioration and damage of the composite material when subjected to cyclic loading. In general, the deterioration of the material subjected to dynamic tests, occurs similarly to that of concretes subjected to static tests, however, the crack propagation mode, the propagation speed and the damage may be different depending on the loading rate at which the material is subjected. Besides, this work presents an experimental investigation aiming to evaluate the influence on the concrete fatigue behavior regarding the loading frequency, load intensity and the material’s compressive strength. Tests were carried out considering three loading frequencies (0.125, 0.25 and 0.5 Hz), two levels of maximum stress (50% and 70% of the compressive strength) and concretes made with three different compressive strength (30, 50 and 70 MPa). The results point out that as the loading frequency is increased, the fatigue life increases exponentially. However, it was observed that the fatigue life is shorter in high-strength concretes, i.e., the fatigue life has an inverse relationship with the compressive strength.

Abstract In this paper, we introduce a finite element mesoscale modeling of damaged concrete structures, based on nodal positions. The mesoscale modeling consists of particle and fiber finite elements embedded in matrix finite elements. While the matrix elements represent the cement matrix, particle elements are used to simulate the coarse aggregates and fiber elements are used for reinforcement rebars. The embedded theory is used to immerse the reinforcement (both particle and fiber elements) without increasing the total number of degrees of freedom. This strategy does not require nodal coincidence, allowing randomly distribute the coarse aggregates. The materials nonlinear behavior is considered by a scalar damage model for the cement matrix and coarse aggregates, and one-dimensional elastoplastic model is used for the steel rebars. Four examples are presented, with good correlation between numerical and experimental results. It is shown that structures simulated with particulate elements could endure higher loads for the same displacement, although the maximum force is obtained in models without inclusion of particle elements.

RESUMEN O presente trabalho apresenta uma análise mecânico-probabilística de lajes de concreto armado sujeitas à corrosão uniforme, devido à ação do CO2 no concreto, por meio de uma metodologia alternativa que considera formulações analíticas referentes ao comportamento mecânico do concreto acopladas a modelos obtidos via Inteligência Artificial e à técnica de simulação de Monte Carlo. Os períodos de iniciação e propagação da corrosão são determinados por meio do cálculo de probabilidades de ocorrência dos estados limites de despassivação e ruptura à flexão, respectivamente. Os resultados encontrados apontam que, a depender do controle tecnológico do concreto, do cobrimento e do ambiente de exposição, a vida útil pode ser drasticamente reduzida, apresentando em muitos casos confiabilidade estrutural e durabilidade inferior às requisitadas em projeto. A fim de garantir menor probabilidade de falha devido à corrosão por carbonatação, recomenda-se empregar cimentos Portland do tipo CP V, CP II F, CP II E e CP II Z, para a produção de estruturas inseridas em ambientes com alta concentração de CO2. Além disso, os resultados mostram que abordagens puramente determinísticas não são capazes de avaliar adequadamente a vida útil de estruturas de concreto sujeitas ao processo de corrosão, sendo necessário analisar o problema considerando a aleatoriedade dos diferentes parâmetros associados ao processo de deterioração, a fim de representar com fidelidade o processo de corrosão e seus efeitos deletérios.

ABSTRACT In this work we propose a coupled mechanical-probabilistic analysis of the useful life of reinforced concrete slabs under uniform corrosion due to CO2 diffusion. The alternative approach considers analytical formulations for the mechanical behavior of concrete coupled to a model based on Artificial Intelligence and the Monte Carlo simulation. The initiation and propagation periods are determined by the probability of occurrence of the limit states of depassivation and flexural strength, respectively. The results show that depending on the quality control of concrete, concrete cover and exposure environment, the useful life can be drastically reduced. In many cases the structural reliability and durability are lower than the specified in design. Thus, it is recommended to use Brazilian Portland cements type CP V, CP II F, CP II E and CP II Z (or equivalents) for the production of concrete structures in environments with high CO2 concentration. Furthermore, we show that that purely deterministic approaches are not able to adequately assess the useful life of concrete structures under corrosion. One must consider the randomly distribution of the parameters associates to the deterioration process to accurately represent the corrosion process and its consequences.