Maintenance support strategies for reinforced concrete structures under corrosion risk

Abstract

Reinforced concrete (RC) structures comprise a large part of the structures and infrastructures around the world. Most of them have been built in the first half of the 20th-century, so their service life is currently at a critical stage from the maintenance perspective. One of the most frequent and expensive degradation mechanisms they present is associated with the reinforcement corrosion. This research is focused on the carbonation-induced corrosion considering that it is the primary degradation cause of RC structures in Paraguay. The growing problem of climate change has caught the attention of maintenance managers of these structures since the end of the last century. Several studies shown that structures can be affected by the impact of this phenomenon considering its durability highlighting the reduction of its expected service life caused by an increase in the corrosion rate associated with the rise in temperature and the atmospheric concentrations of CO2. These conclusions led to the development of this thesis whose main objective is to develop an optimised methodology for the formulation of maintenance strategies of RC structures subjected to the carbonation-induced corrosion, considering the effects of climate change. For the fulfilment of the objectives of this thesis, an analysis has been developed on the numerical modelling of carbonation in RC structures to obtain the degradation curves. The degradation curves obtained by the chosen and modified model show the expected carbonation depth in Paraguay for the next 50 years under the consideration of different climate scenarios. With this analysis, it was possible to determine the corrosion initiation and corrosion propagation times for the structures considering several configurations of the principal parameters influencing durability: the quality of the concrete and the cover thickness. Once the degradation conditions were defined, preventive maintenance strategies based on decision models were formulated. These numerical models were established in two stages comprising the inspections and the repairs planning. For the inspections planning, an efficiency analysis was proposed that is complemented by the optimisation process of the inspection schedule and the most appropriate intervention techniques. For the repairs planning, a dynamic model for decision-making has been developed which considers the cost analysis of the maintenance strategy and the capabilities of the inspection and repair techniques to effectively ensure the durability of the structures through the preventive maintenance approach. The main results of this thesis shown that the carbonation-induced corrosion risk of structures can increase in the future due to the climate change effect. Thus, for the worst climate scenario, in the second half of this century is expected an increase by 25% in the maximum carbonation depth regarding a control scenario. Meanwhile, the time to reach the same maximum carbonation depth of the control scenario can be reduced between 7 and 10 years for the best climate scenario, depending on the quality of the concrete. Furthermore, the maintenance model developed in this research is easily applicable and allows the formulation of long-term strategies that optimise resources at the lowest cost to deal with this degradation mechanism.

As estruturas de betão armado (BA) constituem uma grande parte das estruturas e infraestruturas construídas em todo o mundo. A sua maioria foi construída na primeira metade do século passado, logo, a sua vida útil apresenta atualmente, em muitos casos, um estado crítico, na perspetiva da sua manutenção. Um dos mecanismos de degradação mais frequentes e dispendiosos neste tipo de estruturas está associado à corrosão das armaduras. Esta tese analisa a corrosão induzida por carbonatação, considerando que é a principal causa de degradação em estruturas de betão no Paraguai. O problema crescente advindo das alterações climáticas alertou os responsáveis da manutenção deste tipo de estruturas, desde o final do século passado. Vários estudos mostraram que podem ser afetadas pelo impacto desse fenômeno no que respeita à sua durabilidade, salientando a redução na expectativa de vida útil dessas estruturas, causada por um aumento da taxa de corrosão, associada ao aumento da temperatura e às concentrações atmosféricas de CO2. Estas conclusões levaram ao desenvolvimento desta tese, cujo objetivo principal é desenvolver uma metodologia otimizada para a formulação de estratégias de manutenção de estruturas de BA submetidas à degradação por corrosão induzida por carbonatação, considerando os efeitos das alterações climáticas. Para o cumprimento dos objetivos desta tese, efetuou-se uma análise de modelos numéricos de carbonatação em estruturas de betão armado, para a obtenção das curvas de degradação. As curvas de degradação obtidas com o modelo matemático escolhido e modificado, mostram a profundidade de carbonação esperada no Paraguai para os próximos 50 anos, considerando diferentes cenários climáticos. Por sua vez, com esta análise, foi possível determinar os tempos de início e de propagação da corrosão previstos para as estruturas, considerando diversas configurações dos principais parâmetros que influenciam a durabilidade: a qualidade do betão e a espessura do recobrimento. Definidas as condições de degradação foram formuladas estratégias de manutenção preventiva baseadas em modelos de decisão. Estes modelos numéricos foram estabelecidos em duas etapas que compreendem o planeamento das inspeções e o planeamento das reparações. Para a primeira etapa foi proposta uma análise de eficiência, complementada com o processo de otimização dos momentos de inspeção e das técnicas de intervenção mais apropriadas. Para o planeamento da reparação, foi desenvolvido um modelo dinâmico para apoio à tomada de decisões que considera a análise de custos da estratégia de manutenção e a capacidade das técnicas de inspeção e reparação para garantir a durabilidade das estruturas, de forma eficaz, através de manutenção preventiva. Os resultados desta tese mostram que o risco de degradação de estruturas de betão armado induzidas por carbonatação, pode aumentar no futuro devido ao efeito das alterações climáticas. Assim, para o pior cenário climático, estima-se um aumento médio de 25% na profundidade máxima de carbonação na segunda metade deste século em relação a um cenário de controle. Enquanto que o tempo para atingir a mesma profundidade máxima de carbonatação do cenário de controle pode ser reduzido entre 7 e 10 anos para o melhor cenário, dependendo da qualidade do betão. Além disso, o modelo de manutenção desenvolvido é facilmente aplicável e permite a formulação de estratégias de longo prazo que otimizem recursos ao menor custo, para lidar com esse mecanismo de degradação.

Las estructuras de hormigón armado (H°A°) comprenden una gran parte de las infraestructuras en todo el mundo. La mayoría de estas estructuras se han construido en la primera mitad del Siglo XX, por lo que su vida útil se encuentra actualmente en una etapa crítica desde la perspectiva del mantenimiento. Uno de los mecanismos de degradación más frecuentes y costosos en este tipo de infraestructura está asociado con la corrosión del refuerzo. Esta investigación se centra en la corrosión inducida por la carbonatación, ya que es la principal causa de degradación de las estructuras de H°A° en Paraguay. El creciente problema del cambio climático ha llamado la atención de los administradores del mantenimiento de las estructuras desde finales del siglo pasado. Varios estudios han demostrado que las infraestructuras podrían verse afectadas por el impacto de este fenómeno desde el punto de vista de la durabilidad. Estos estudios han demostrado una reducción en la vida útil prevista de las estructuras causada por un aumento en la tasa de corrosión asociada con el aumento de temperatura y las concentraciones atmosféricas de CO2. Esta condición ha llevado a la elaboración de esta tesis cuyo principal objetivo es desarrollar una metodología optimizada para la formulación de estrategias correspondientes al mantenimiento de estructuras H°A° sometidas a la corrosión inducida por la carbonatación, considerando los efectos del cambio climático. Para el cumplimiento de los objetivos de esta tesis, se ha desarrollado un análisis sobre la modelación numérica de la carbonatación en el hormigón para obtener las curvas de degradación en estas estructuras. Estas curvas muestran la profundidad de carbonatación esperada en Paraguay durante los próximos 50 años bajo la consideración de diferentes escenarios climáticos. A su vez, con este análisis se ha podido determinar el tiempo de inicio y propagación de la corrosión previstos para las estructuras considerando varias configuraciones de los parámetros principales para la durabilidad: la calidad del hormigón y el espesor del recubrimiento. Una vez que se han definido las condiciones de degradación, se han formulado estrategias de mantenimiento preventivo basadas en modelos de decisión. Estos modelos numéricos se han establecido en dos etapas que comprenden la planificación de inspecciones y la planificación de reparaciones. Para la planificación de las inspecciones, se ha propuesto un análisis de eficiencia que se complementa con el proceso de optimización de los tiempos de inspección y las técnicas de intervención más adecuadas. Para la planificación de reparaciones, se ha desarrollado un modelo dinámico para la toma de decisiones que considera el análisis de costos de la estrategia de mantenimiento y las capacidades de las técnicas de inspección y reparación para garantizar la durabilidad de las infraestructuras de manera efectiva a través del enfoque de mantenimiento preventivo. Los resultados de esta tesis han demostrado que el riesgo de corrosión inducida por la carbonatación de las estructuras podría aumentar en el futuro debido al efecto del cambio climático. Así, para el peor escenario climático, podría esperarse un aumento medio de 25% de la profundidad máxima de carbonatación en la segunda mitad de este siglo respecto a un escenario de control. Mientras tanto, el tiempo para alcanzar la misma profundidad máxima de carbonatación del escenario de control podría reducirse entre 7 y 10 años para el mejor escenario climático, dependiendo de la calidad del hormigón. Además, el modelo de mantenimiento desarrollado en esta investigación es fácilmente aplicable y permite la formulación de estrategias a largo plazo que optimizan los recursos al menor costo para hacer frente a este mecanismo de degradación.