The influence of fibers on the rheological properties of a self-compacting concrete is the object of this work, thanks to the application of numerical analysis by means of the Particle Finite Element Method (PFEM). A Bingham-like constitutive law of the material is proposed considering the presence of fibers in suspension into the fluid matrix. The PFEM is a fully Lagrangian approach with surface tracking capabilities to the analysis of incompressible non-Newtonian fluid flows based on a continuous re-triangulation of the domain. In the present work this method is used for the modelling of the fiber-reinforced self-compacting concrete which, during experiments in laboratory, it was modelled itself by means of a viscous fluid composed of the polymer Carbopol SF-1. Hence, the innovative aspect of this work is the numerical analysis of the experimental results to investigate which rheological property is more affected by the number and the dimension of the fibers in suspension both in central and lateral casting of standard beams. The results of the rheological study are then used for the improvement of the PFEM with a new constitutive law based on the Einstein equation for the computation of the efficient viscosity. The numerical method is a good alternative to the destructive testing methods for the investigation of the distribution and orientation of fibers during the flow of fresh concrete. In civil engineering, the advent of fiber-reinforced self-compacting concrete has led to the development of tools for the computational modeling of fresh state behavior of material, which are able to analyze the rheological properties and to investigate the orientation of fibers to optimize the mechanical performances of the structures.

Il lavoro tratta lo studio dell’influenza delle fibre sulle proprietà reologiche di un calcestruzzo autocompattante attraverso l’analisi numerica condotta con il metodo ad Elementi Finiti Particellare (PFEM). Viene inoltre proposta una modifica della legge costitutiva del materiale che tenga conto della presenza di fibre in sospensione in una matrice fluida. Il PFEM è formulato in base all’approccio lagrangiano ed è caratterizzato dalla capacità di tracciare le superfici libere grazie alla continua re-triangolazione del dominio. Questo metodo vieni quindi utilizzato per la simulazione di un calcestruzzo autocompattante fibrorinforzato il quale, in fase sperimentale, è stato modellato per mezzo di un materiale viscoso in Carbopol SF-1. L’innovazione del presente lavoro consta appunto nell’analisi numerica dei risultati sperimentali al fine di studiare quali caratteristiche reologiche risentano maggiormente del numero e della dimensione di fibre inserite, sia in getto laterale sia in getto centrale, durante la realizzazione di travi standard. I risultati ottenuti permettono pertanto l’implementazione del PFEM originale con una nuova legge costitutiva basata sull’equazione di Einstein della viscosità efficace. Il metodo numerico offre un’ottima alternativa di indagine e di monitoraggio della distribuzione delle fibre all’interno del conglomerato allo stato fresco senza la necessità di realizzare prove distruttive sugli elementi strutturali in situ. Con il sempre maggior impiego dei calcestruzzi autocompattanti fibrorinforzati nel campo dell’ingegneria civile, grande interesse è stato rivolto allo sviluppo di uno strumento efficiente in grado di analizzare a priori l’aspetto reologico del materiale e l’orientamento delle fibre per l’ottimizzazione delle caratteristiche meccaniche del materiale.

Modellazione numerica del flusso di un calcestruzzo autocompattante fibrorinforzato

NEBBIA, DOMITILLA
2016/2017

Abstract

The influence of fibers on the rheological properties of a self-compacting concrete is the object of this work, thanks to the application of numerical analysis by means of the Particle Finite Element Method (PFEM). A Bingham-like constitutive law of the material is proposed considering the presence of fibers in suspension into the fluid matrix. The PFEM is a fully Lagrangian approach with surface tracking capabilities to the analysis of incompressible non-Newtonian fluid flows based on a continuous re-triangulation of the domain. In the present work this method is used for the modelling of the fiber-reinforced self-compacting concrete which, during experiments in laboratory, it was modelled itself by means of a viscous fluid composed of the polymer Carbopol SF-1. Hence, the innovative aspect of this work is the numerical analysis of the experimental results to investigate which rheological property is more affected by the number and the dimension of the fibers in suspension both in central and lateral casting of standard beams. The results of the rheological study are then used for the improvement of the PFEM with a new constitutive law based on the Einstein equation for the computation of the efficient viscosity. The numerical method is a good alternative to the destructive testing methods for the investigation of the distribution and orientation of fibers during the flow of fresh concrete. In civil engineering, the advent of fiber-reinforced self-compacting concrete has led to the development of tools for the computational modeling of fresh state behavior of material, which are able to analyze the rheological properties and to investigate the orientation of fibers to optimize the mechanical performances of the structures.
CREMONESI, MASSIMILIANO
ING I - Scuola di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale
19-apr-2018
2016/2017
Il lavoro tratta lo studio dell’influenza delle fibre sulle proprietà reologiche di un calcestruzzo autocompattante attraverso l’analisi numerica condotta con il metodo ad Elementi Finiti Particellare (PFEM). Viene inoltre proposta una modifica della legge costitutiva del materiale che tenga conto della presenza di fibre in sospensione in una matrice fluida. Il PFEM è formulato in base all’approccio lagrangiano ed è caratterizzato dalla capacità di tracciare le superfici libere grazie alla continua re-triangolazione del dominio. Questo metodo vieni quindi utilizzato per la simulazione di un calcestruzzo autocompattante fibrorinforzato il quale, in fase sperimentale, è stato modellato per mezzo di un materiale viscoso in Carbopol SF-1. L’innovazione del presente lavoro consta appunto nell’analisi numerica dei risultati sperimentali al fine di studiare quali caratteristiche reologiche risentano maggiormente del numero e della dimensione di fibre inserite, sia in getto laterale sia in getto centrale, durante la realizzazione di travi standard. I risultati ottenuti permettono pertanto l’implementazione del PFEM originale con una nuova legge costitutiva basata sull’equazione di Einstein della viscosità efficace. Il metodo numerico offre un’ottima alternativa di indagine e di monitoraggio della distribuzione delle fibre all’interno del conglomerato allo stato fresco senza la necessità di realizzare prove distruttive sugli elementi strutturali in situ. Con il sempre maggior impiego dei calcestruzzi autocompattanti fibrorinforzati nel campo dell’ingegneria civile, grande interesse è stato rivolto allo sviluppo di uno strumento efficiente in grado di analizzare a priori l’aspetto reologico del materiale e l’orientamento delle fibre per l’ottimizzazione delle caratteristiche meccaniche del materiale.
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/141156