Pull-out of cast-in-place fasteners : a comparative numerical study

Cast-in-place fasteners are one of the most common fastening practices for connections in concrete structures. They are generally used to transfer both tensile and shear loads. This Thesis work deals with the topic of structural response of cast-in-place fasteners under tensile loading and for which the collapse mechanism is governed by the breakout of the concrete cone. Recent studies have shown how current methods available for the evaluation of the tensile capacity, such as Concrete Capacity Design method may have some limitations if applied to the cast-in-place fasteners. In particular, several authors have highlighted the need to include in the calculation models the effect due to different sizes of the fastener head. However, the results presented are conflicting and therefore further assessments are needed. In this context, advanced numerical modeling can be combined with the classic laboratory experiments for a better understanding of the concrete cone failure mechanism. The main objective of this study is therefore the definition of a possible strategy to simulate, with numerical models, the response of cast-in-place fasteners subjected to tensile loading. The strategy adopted consists of two distinct phases: (i) calibration of the constitutive models chosen by means of simulation of experimental tests that characterize the mechanical properties of the material and (ii) simulation of pull-out tests. To make the procedure replicable, the analyses are conducted using two of the most widespread constitutive models in the current commercial codes: (i) the model coupled to damage and plasticity and (ii) the smeared crack approach with crack band theory. The mathematical formulations and the implementations in two different finite element codes (Abaqus and ATENA) are discussed in detail, presenting the respective advantages and disadvantages in the simulation of pull-out tests. The performance of each constitutive model is evaluated by simulating experimental pull-out tests carried out on three different batches of concrete and for two curing ages.

Gli ancoranti preinseriti sono una delle pratiche di fissaggio più comuni per connessioni in strutture di calcestruzzo. Essi vengono utilizzati generalmente per trasferire sia carichi di trazione che carichi di taglio. Il presente lavoro di Tesi affronta il tema della risposta strutturale di ancoranti preinseriti sollecitati da un carico di trazione e per i quali il meccanismo di collasso è governato dall’estrazione del cono di calcestruzzo. Recenti studi hanno mostrato come gli attuali metodi disponibili per la valutazione della capacità in trazione, quali ad esempio il metodo Concrete Capacity Design, possono presentare alcune limitazioni se applicati agli ancoranti preinseriti. In particolare, diversi autori hanno evidenziato la necessità di includere nei modelli di calcolo gli effetti dovuti ad una diversa dimensione della testa di ancoraggio. I risultati presentati sono tuttavia contrastanti per cui ulteriori valutazioni in merito sono necessarie. In tale contesto, modellazioni numeriche avanzate possono essere affiancate alla classica sperimentazione in laboratorio per una migliore comprensione del meccanismo di estrazione del cono di calcestruzzo. L’obiettivo principale di questo studio è quindi la definizione di una possibile strategia per simulare, con modelli numerici, la risposta di ancoranti preinseriti soggetti ad un carico di trazione. La strategia adottata consta di due fasi distinte: (i) la calibrazione del modello costitutivo scelto tramite simulazione di prove per la caratterizzazione del materiale e (ii) la simulazione di prove di pull-out. Affinché la procedura sia replicabile, le analisi sono condotte utilizzando due dei modelli costitutivi più diffusi negli attuali codici commerciali: (i) il modello accoppiato a danno e plasticità e (ii) il modello a fessurazione diffusa con larghezza di banda. La formulazione matematica e l’implementazione in due differenti codici ad Elementi Finti (Abaqus e ATENA) è discussa in dettaglio, presentando i rispettivi vantaggi e gli svantaggi nella simulazione di prove di pull-out. Le prestazioni di ciascun modello costitutivo sono misurate simulando prove sperimentati di pull-out effettuate su tre diversi lotti di calcestruzzo e per due periodi di stagionatura.