chloride corrosion – El blog de Víctor Yepes

Durabilidad y rediseño de un puente de hormigón en ambiente costero mediante un método no destructivo de detección de daños

Durante los días 10-13 de julio de 2023 tuvo lugar en Donostia-San Sebastián (Spain) el 27th International Congress on Project Management and Engineering AEIPRO 2023. Fue una buena oportunidad para debatir y conocer propuestas sobre dirección e ingeniería de proyectos. Nuestro grupo de investigación, dentro del proyecto de investigación HYDELIFE, presenta varias comunicaciones. A continuación os paso la primera de las comunicaciones presentadas. Cabe destacar que este trabajo recibió el accésit del Premio “Jaume Blasco” a la innovación, por lo que hay que felicitar al doctorando Mehrdad Hadizadeh-Bazaz por el extraordinario trabajo realizado. A ello hay que sumar el Premio que recibió al mejor trabajo en la modalidad de póster otorgado por la Escuela de Doctorado de la Universitat Politècnica de València, dentro del VIII Encuentro de Estudiantes de Doctorado.

Durante algún tiempo, los expertos y los gobiernos han estado enfocados en reducir los costos de reparación y mantenimiento de estructuras cruciales como los puentes a través de un enfoque continuo en el mantenimiento y la reparación. En este estudio, se investiga la rentabilidad de dos métodos de predicción de daños: el método de densidad espectral de potencia (PSD) en comparación con el método convencional de detección de daños a través del rediseño de diferentes espesores de recubrimiento de hormigón para un puente costero de hormigón armado.

El estudio evalúa el impacto de los iones cloruro en la ubicación y extensión de los daños a lo largo de la vida útil del puente, y compara los costos totales de mantenimiento y reparación. Los resultados revelan que si bien el método PSD es efectivo para estructuras con recubrimientos de hormigón bajos, aumentar el espesor del recubrimiento de hormigón puede dar lugar a mayores costes de reparación.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Palabras clave:

Evaluación del costo del ciclo de vida, métodos no destructivos de detección de daños, puente costero de hormigón, corrosión del acero, corrosión por cloruros, técnicas de mantenimiento y reparación.

Agradecimientos:

This research was funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033, grant number PID2020-117056RB-I00 and The APC was funded by ERDF A way of making Europe.

Referencia:

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Durability assessment and re-design of coastal concrete bridge through a non-destructive damage detection method. 27th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 10-13 de julio, Donostia/San Sebastián (Spain), pp. 386-401. DOI:10.61547/3371

A continuación os dejo un vídeo donde presentamos el trabajo. Espero que os sea de interés.

Os dejo la comunicación completa, pues está editada en abierto. Espero que os sea de interés.

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Evaluación del coste del ciclo de vida mediante la función de densidad espectral de potencia en un puente de hormigón en ambiente costero

Acaban de publicarnos un artículo en el Journal of Marine Science and Engineering, revista indexada en el JCR. Se trata de la evaluación del coste del ciclo de vida mediante la función de densidad espectral de potencia en un puente de hormigón en ambiente costero. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

En los últimos tiempos, se han llevado a cabo reparaciones y mantenimiento en estructuras para prevenir el colapso súbito y los consiguientes daños económicos y humanos. La presencia de iones cloruro es un factor natural que contribuye a la degradación de las estructuras en entornos marinos, reduciendo su vida útil. Por lo tanto, es esencial supervisar regularmente el estado de los edificios costeros de hormigón para repararlos a tiempo. El objetivo de este estudio es evaluar el método de densidad espectral de potencia (PSD) como un método no destructivo de detección de daños para monitorizar la ubicación y cantidad de daños causados por los iones cloruro durante la vida útil de una estructura. Se utilizan diferentes enfoques, como la evaluación del ciclo de vida (LCA) y su coste (LCCA).

En este sentido, en primer lugar, se calculó el daño por corrosión causado por los cloruros en función de la distancia de la zona al agua de mar para determinar la vida útil de cada parte de un puente de hormigón en ambiente marino mediante el método convencional. A continuación, se estimó el deterioro del hormigón, basándose en la corrosión de las barras de refuerzo cada año. El método PSD permitió controlar la pérdida anual de sección transversal de la armadura, las variaciones en las características dinámicas (como la rigidez y la masa) y la vida útil de la estructura del puente mediante ecuaciones de sensibilidad y el algoritmo de mínimos cuadrados lineales. Por último, se compararon los costes del ciclo de vida (CCV) y los costes de mantenimiento y reparación del método PSD con el método convencional en función de la ubicación y calidad de los daños en cada año de vida del puente hasta el final de su vida útil. Los resultados mostraron que esta estrategia fue muy eficaz para reducir y optimizar los costes de mantenimiento y reparación causados por la corrosión por cloruros.

Figura 1. Dimensiones de un vano del puente de Arosa

Abstract:

Repairs and maintenance have recently been necessary to prevent sudden collapses of structures, which can lead to human and financial damage. Chloride ions are a natural factor in marine environments that deteriorate structures and reduce lifespan. Therefore, it is essential to regularly monitor the condition of concrete coastal buildings to ensure timely repairs. This study aims to evaluate the performance of the power spectral density (PSD) method as a non-destructive damage detection method for monitoring the location and amount of damage caused by chloride ions during a structure’s lifespan. The study employs different approaches, including life-cycle assessment (LCA) and life-cycle cost assessment (LCCA). The conventional method calculates the chloride corrosion damage dependent on the zone’s distance from seawater to determine the service life of each part of a coastal concrete bridge. The next stage forecasts the bridge’s concrete deterioration based on the rebar corrosion each year. The PSD method monitors the annual loss of reinforcement cross-sectional area, dynamic characteristics such as stiffness and mass changes, and the bridge structure’s lifespan using sensitivity equations and the linear-least-squares algorithm. Finally, the LCCA and maintenance and repair costs of the PSD method are compared to the conventional method based on the location and quality of damage in each year of the bridge’s life until the end of its service life. The results show that this strategy effectively reduces and optimizes the maintenance and repair costs caused by chloride corrosion.

Keywords:

Life-cycle cost assessment (LCCA); non-destructive damage-detection technique; chloride ion attack; steel corrosion; power spectral density method (PSD); concrete coastal bridge.

Reference:

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Life-cycle cost assessment using the power spectral density function in a coastal concrete bridge. Journal of Marine Science and Engineering, 11(2):433. DOI:10.3390/jmse11020433

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Densidad espectral de potencia en la detección de daños por ataque de cloruros en un puente en ambiente marino

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Structural Engineering and Mechanics, revista indexada en el JCR. En este caso se ha analizado el rendimiento del método de la densidad espectral de potencia para detectar daños por ataque de cloruros en un puente de hormigón situado en un ambiente marino. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El deterioro causado por la penetración de cloruros y la carbonatación desempeña un papel importante en una estructura de hormigón en un entorno marino. La corrosión por cloruros en algunas estructuras en ambientes costeros puede ser peligrosa en caso de colapso repentino. Por lo tanto, como novedad, esta investigación estudia la capacidad de un método no destructivo de detección de daños denominado Densidad Espectral de Potencia (PSD) para diagnosticar daños causados únicamente por iones cloruro en estructuras de hormigón. Además, se investigó la precisión de este método para estimar la cantidad de daños anuales causados por el cloruro en diversas partes y posiciones expuestas al agua de mar. Para ello, se modeló y analizó numéricamente el puente de Arosa, en España, que conecta la isla con el continente a través del agua de mar. Como primer paso, se calculó la posición de puente de cada elemento, junto con el porcentaje de corrosión por cloruros en las armaduras. A continuación, se predijo la existencia, localización y momento de los daños en toda la parte de hormigón del puente en función de la cantidad de corrosión de las armaduras cada año. El método PSD se utilizó para controlar la pérdida anual del área de la sección transversal de las armaduras, los cambios en las características dinámicas, como la rigidez y la masa, y cada año de la vida útil de la estructura del puente mediante ecuaciones de sensibilidad y el algoritmo de mínimos cuadrados lineales. Este estudio demostró que la utilización de diferentes enfoques del método PSD basados en la corrosión por cloruros de las armaduras y la asunción de errores del 10% en el análisis del software pueden ayudar a predecir la ubicación y la cantidad casi exacta de las zonas dañadas a lo largo del tiempo.

Se puede solicitar una copia del artículo a los autores a través del siguiente enlace: https://www.researchgate.net/publication/367283962_Hadizadeh-Bazaz_et_al_2023

Abstract:

The deterioration caused by chloride penetration and carbonation plays a significant role in a concrete structure in a marine environment. The chloride corrosion in some marine concrete structures is invisible but can be dangerous in a sudden collapse. Therefore, as a novelty, this research investigates the ability of a non-destructive damage detection method named the Power Spectral Density (PSD) to diagnose damages caused only by chloride ions in concrete structures. Furthermore, the accuracy of this method in estimating the amount of annual damage caused by chloride in various parts and positions exposed to seawater was investigated. For this purpose, the RC Arosa bridge in Spain, which connects the island to the mainland via seawater, was numerically modeled and analyzed. As the first step, each element’s bridge position was calculated, along with the chloride corrosion percentage in the reinforcements. The next step predicted the existence, location, and timing of damage to the entire concrete part of the bridge based on the amount of rebar corrosion each year. The PSD method was used to monitor the annual loss of reinforcement cross-section area, changes in dynamic characteristics such as stiffness and mass, and each year of the bridge structure’s life using sensitivity equations and the linear least squares algorithm. This study showed that using different approaches to the PSD method based on rebar chloride corrosion and assuming 10% errors in software analysis can help predict the location and almost exact amount of damage zones over time.

Keywords:

Damage identification; Concrete bridge; Chloride attack; Steel corrosion; Power Spectral Density method (PSD); Non-destructive technique.

Reference:

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Power Spectral Density method performance in detecting damages by chloride attack on coastal RC bridge. Structural Engineering and Mechanics, 85(2):197-206. DOI:10.12989/sem.2023.85.2.197

Optimización del mantenimiento basado en la fiabilidad bajo una perspectiva de ciclo de vida

Nos acaban de publicar en la revista de Elsevier del primer cuartil, Environmental Impact Assessment Review, un artículo donde se optimiza el mantenimiento de un puente considerando el ciclo de vida. Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación DIMALIFE en la que se pretenden optimizar estructuras atendiendo no sólo a su coste, sino al impacto ambiental y social que generan a lo largo de su ciclo de vida.

Abstract:

Sustainability is of paramount importance when facing the design of long-lasting, maintenance-demanding structures. In particular, a sustainable life cycle design for concrete structures exposed to aggressive environments may lead to significant economic savings and reduced environmental consequences. The present study evaluates 18 different design alternatives for an existing concrete bridge deck exposed to chlorides, analyzing the economic and environmental impacts associated with each design as a function of the maintenance interval chosen. Results are illustrated in the context of a reliability-based maintenance optimization on life cycle costs and environmental impacts. Maintenance optimization significantly reduces life cycle impacts if compared to the damage resulting from performing the maintenance actions when the end of the structure’s service life is reached. Using concrete with 10% silica fume is the most effective prevention strategy against corrosion of reinforcement steel in economic terms, reducing the life cycle costs of the original deck design by 76%. From an environmental perspective, maintenance based on the hydrophobic treatment of the concrete deck surface results in the best performance, allowing for a reduction of the impacts associated with the original design by 82.8%.

Keywords:

Life cycle assessment; Life cycle cost analysis; Chloride corrosion; Sustainable design; Maintenance optimization; Reliability

Reference:

NAVARRO, I.J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2019). Reliability-based maintenance optimization of corrosion preventive designs under a life cycle perspective. Environmental Impact Assessment Review, 74:23-34. https://doi.org/10.1016/j.eiar.2018.10.001

Análisis del ciclo de vida de las medidas preventivas a la corrosión aplicadas a puentes pretensados

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Environmental Impact Assessment Review (primer decil del JCR), de la editorial ELSEVIER, en el que se realiza una valoración de las medidas preventivas consideradas en el proyecto a lo largo del ciclo de vida de un puente de hormigón sometido a un ambiente costero, donde los clorhídricos suponen una agresión que supone un mantenimiento de la infraestructura. En el artículo se analizan 15 diseños diferentes y se comprueba que no siempre ejecutar un mantenimiento mínimo supone menores impactos ambientales. Además, los tratamientos superficiales y la adición de humo de sílice supone una reducción del 70% en los impactos.

Asimismo, podéis solicitar al autor una copia en la plataforma Researchgate: https://www.researchgate.net/publication/325690791_Life_cycle_impact_assessment_of_corrosion_preventive_designs_applied_to_prestressed_concrete_bridge_decks

Referencia:

NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2018). Life cycle impact assessment of corrosion preventive designs applied to prestressed concrete bridge decks. Journal of Cleaner Production, 196:698-713. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.06.110

Abstract:

Chloride corrosion of reinforcing steel in concrete structures is a major issue in the construction sector due to economic and environmental reasons. Assuming different prevention strategies in aggressive marine environments results in extending the service life of the exposed structures, reducing the maintenance actions required throughout their operation stage. The aim of the present study is to analyze the environmental implications of several prevention strategies through a life cycle assessment using a prestressed bridge deck as a case study.

The environmental impacts of 15 prevention alternatives have been evaluated when applied to a real case of study, namely a bridge deck exposed to a chloride laden surrounding. The Eco-indicator 99 methodology has been adopted for the evaluation of the impacts. As some of the alternatives involve the use of by-products such as fly ash and silica fume, economic allocation has been assumed to evaluate their environmental impacts.

Results from the life cycle analysis show that the environmental impacts of the chloride exposed structure can be reduced significantly by considering specific preventive designs, such as adding silica fume to concrete, reducing its water to cement ratio or applying hydrophobic or sealant treatments to its surface. In such scenarios, the damage caused to the environment mainly due to maintenance operations and material consumption can be reduced up to a 30–40% of the life cycle impacts associated to a conventional design. The study shows how the application of life cycle assessment methodologies can be of interest to reduce the environmental impacts derived from the maintenance operations required by bridge decks subjected to aggressive chloride laden environments.

Keywords:

Life cycle assessment; Chloride corrosion; Preventive measures; Eco-indicator 99; Bridge deck; Sustainable design; Concrete

Highlights:

Life cycle assessment of different design strategies for bridge decks in marine environments.
15 different design alternatives were studied and compared with the conventional design.
Less maintenance does not always result in lower environmental impacts.
Steel and maintenance are main contributors to environmental burdens.
Surface treatments and the addition of silica fume reduce impacts up to 70%.

Valoración social del ciclo de vida de un puente en un ambiente agresivo

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Environmental Impact Assessment Review (primer decil del JCR), de la editorial ELSEVIER, en el que se realiza una valoración del impacto social a lo largo del ciclo de vida de un puente de hormigón sometido a un ambiente costero, donde los clorhídricos suponen una agresión que supone un mantenimiento de la infraestructura.

En el trabajo se analizan 15 alternativas diferentes durante el mantenimiento en relación con los impactos sociales. Los resultados indican que el uso de acero inoxidable en las armaduras y la adición de humo de sílice son preferibles a otras alternativas convencionales. Os dejo a continuación el resumen y las conclusiones.

Referencia:

NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Social life cycle assessment of concrete bridge decks exposed to aggressive environments. Environmental Impact Assessment Review, 72:50-63. https://doi.org/10.1016/j.eiar.2018.05.003

Abstract:

Sustainable design of structures includes environmental and economic aspects; social aspects throughout the life cycle of the structure, however, are not always adequately assessed. This study evaluates the social contribution of a concrete bridge deck. The social performance of the different design alternatives is estimated taking into account the impacts derived from both the construction and the maintenance phases of the infrastructure under conditions of uncertainty. Uncertain inputs related to social context are treated through Beta-PERT distributions. Maintenance needs for the different materials are estimated by means of a reliability based durability evaluation. Results show that social impacts resulting from the service life of bridges are not to be neglected in sustainability assessments of such structures. Designs that minimize maintenance operations throughout the service life, such as using stainless steel rebars or silica fume containing concretes, are socially preferable to conventional designs. The results can complement economic and environmental sustainability assessments of bridge structures.

Keywords:

Social life cycle assessment; Chloride corrosion; Preventive measures; Guidelines; Concrete bridge; Sustainable design

Highlights:

Social Life Cycle Assessment of different design strategies for bridge decks in marine environments.
15 design alternatives were studied and compared according to the Guidelines methodology.
Less maintenance results in better social performance.
Impacts during maintenance phase are main contributors to social performance
Stainless steel and the addition of silica fume are socially preferable to conventional designs.

¿Cómo afectan los costes al mantenimiento de un puente cuando se consideran aspectos sociales?

Pocas veces se incorporan en los proyectos de puentes actuales las variables sociales como factores determinantes de su diseño. Tampoco se dedica la atención suficiente al análisis del coste del ciclo de vida para evaluar la mejor alternativa posible de diseño. Considerar en nuestros proyectos este tipo de variables podría reducir, por ejemplo, en un 60% los costes de mantenimiento. También se constataría el hecho de que incrementar solamente 5 mm el recubrimiento de las armaduras de las estructuras de hormigón podría reducir el coste del mantenimiento en un 40%. Un ejemplo de la aplicación de este tipo de metodologías es la que nos acaban de publicar en la revista Sustainability. Allí se ha analizado el coste del ciclo de vida de las medidas de prevención aplicado a un puente de hormigón postesado expuesto al ataque de clorhídricos. Para ello se ha elegido el puente de la Isla de Arosa, en Galicia (España). Os dejo el artículo completo y la referencia.

Referencia:

NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Life cycle cost assessment of preventive strategies applied to prestressed concrete bridges exposed to chlorides. Sustainability, 10(3):845. doi:10.3390/su10030845 .

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