Numerical modeling of steel fibre reinforced concrete (SFRC) in precast prestressed deck

In the design of innovative building systems, Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC) are becoming increasingly important, since fibers are the easiest way to enhance toughness and ductility of plain material, fitting the key issue of weight reduction. The possibility of substituting traditional transverse reinforcement (stirrups) for steel fibres in precast elements can significantly reduce production costs. In this context, this thesis is focused on build the appropriate numerical model for analysis on behavior of SFRC on shear strength of pre-stressed beam and its validation in experimental results by means of experimental tests on full scale beams. Tests concern beams with conventional as well as steel fibre reinforcement. The deck consist of beam made of Steel Fibre Reinforced Concrete, longitudinally pre-stressed, the beams are connected by steel fibre reinforced concrete (SFRC) joints to span lengths up to 4.5 meter. The addition of steel fibres reduces the extent of cracking and crack widths in service conditions for the beams. As shown in this thesis, at the ultimate limit state, fibres contribute to enhancing the ductility and the shear capacity of concrete structures. The absence of design codes or standards, limits the use of SFRC at structural level. The design of such structures must be carried with the aid of numerical tools able to predict a reliable structural response for each limit state investigated. For bending, several calculation methods based on similar hypothesis are presented in many scientific articles and standards. For shear, there is not yet a worldwide-recognized approach that can be used for SFRC structures. More experimental campaigns have to be carried out in order to completely investigate both bending and shear behaviors of SFRC pre-stressed beams. This master thesis focuses the attention on the numerical study of pre-stressed SFRC beams, consist of validation of concrete model used in the software ABAQUS compare to experimental results. A study of the shear behavior is also presented. The motivation for this thesis was to increase the awareness of the structural engineering field to the concepts behind structural analysis.

Nel progetto di sistemi edilizi innovative, il calcestruzzo fibrorinforzato (SFRC) sta assumedo sempre maggior importanza dal momento che le fibre rappresentano lo strumento più semplice per migliorare la tenacità e la duttilità del calcesgtruzzo, soddisfacendo il punto chiave della riduzione globale di peso. La possibilità di ridurre inoltre l’armatura tradizionale (staffe) con le fibre negli elementi prefabbricati può signficativamente ridurre I costi di produzione. All’interno di questo contest, la tesi si pone l’obiettivo di sviluppare un appropriato modello numerico per la modellazione del comportamento del calcestruzzo fibrorinforzato con particolare attenzione al comportamento a taglio di travi precompresse. Il modello è stato validato grazie al confront con risultati sperimentali ottenuti su travi armate sia con fibre che con armature tradizionale. Le travi considerate hanno una luce di 4.5m. L’aggiunta di fibre reduce l’apertura di fessura in esercizio e allo stato limite ultimo aumenta la duttilità e la capacità a taglio della struttura. L'assenza fino ad oggi di normative specifiche per SFRC, ha limitato l’utilizzo di questo material in applicazioni strutturali. La modellazione numerica rappresenta un utilissimo strumento per la progettazione degli elementi realizzati con questi materiali, da cui la necessità di avere strumenti che siano in grado di fornire una risposta affidabile. Per la flessione sono presenti alcune formulazioni proposte dalla letteratura scientifica e dale norme, mentre per quanto riguarda il taglio sussiste ancora grande confusion. Ne deriva la necessità di sviluppare nuove campagne sperimentali. La presente tesi si concentra sulla modellazione numerica del comportamento a taglio di travi precompresse in SFRC. Le anlisi sono state condotte con il software ABAQUS e confrontate con risultati sperimentali. L’obiettivo di questo lavoro è quello di incrementare la consapevolezza dei progettisti nei confronti della modellazione numerica nell’analisi strutturale.