Numerical modeling of the mechanical behavior of a SFRC beam reinforced with FRCM composites

Glass fabrics and micro-steel fibers have proved their high efficiency in structural reinforcement and retrofitting. Many intense experimental campaigns were studying diverse kinds of specimens with composite materials reinforcement and under different testing methods. Non-linear numerical modeling is highly required to replicate their behaviors and response. Thus, this research aims, at a final point, to model a Steel Fibers Reinforced Concrete (SFRC) beam reinforced from the bottom side with a Fabric Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) composite layer, using a non-linear finite element commercial software, ABAQUS. The main goal was to simulate the mechanical behavior of the composite members and better understand all the involved phenomena. The modeling was divided into three main tasks. The first one was to model the uniaxial test of AR-glass fabric based FRCM, with two different mortars, a high-strength mortar (M1), and a commercial medium-strength (M2). Two different approaches were used: a simplified model “A” defined as a homogenous material, with a tensile behavior provided from the revised ACK, and model “B” with one-layer reinforced mortar. The later model's challenge is the GF calibration with the different meshes, as it was found that the MC2010 proposed formula did not directly result in a good outcome. The second task was the modeling of SFRC notched beams behavior, in order to understand the best approach in the definition of the constitutive material law. These material laws were defined both in according with the MC2010 provisions and by means of inverse plane-section analysis. Finally, the third task was the modeling of a four-point bending test on SFRC beam, taking advantages from the previous constitutive law calibration. Moreover, the effect of the addition of a FRCM composite reinforcing layer were numerically investigated on both damaged and undamaged SFRC beams.

I tessuti di vetro e le micro-fibre di acciaio hanno dimostrato la loro elevata efficienza nel rinforzo strutturale e nel retrofitting. Molte campagne sperimentali hanno studiato diversi tipi di campioni con rinforzi in materiali compositi e con diversi metodi di prova. La modellazione numerica non lineare è altamente richiesta per replicare i loro comportamenti e le loro risposte. Pertanto, questa ricerca mira modellare una trave in cemento armato con fibre di acciaio (SFRC) rinforzata dal lato inferiore con uno strato composito a matrice cementizia rinforzata in tessuto (FRCM), utilizzando un software commerciale non lineare a elementi finiti, ABAQUS. L'obiettivo principale è quello di simulare il comportamento meccanico degli elementi compositi e comprenderne meglio tutti i fenomeni coinvolti. La modellazione è stata suddivisa in tre parte principali. La prima è stata quella di modellare il test di trazione uniassiale di FRCM basato su tessuto di vetro AR, con due diverse malte, una malta ad alta resistenza (M1) e una media resistenza commerciale (M2). Sono stati utilizzati due diversi approcci: un modello semplificato “A” definito come materiale omogeneo, con un comportamento a trazione fornito dalla revisione del modello di letteratura ACK, e il modello “B” con malta rinforzata monostrato. L’obiettivo è la calibrazione dell’energia di frattura GF con le diverse maglie, poiché è stato riscontrato che la formula proposta da MC2010 non ha prodotto direttamente un buon risultato. La seconda parte riguarda la modellazione del comportamento delle travi intagliate SFRC, al fine di comprendere l'approccio migliore nella definizione della legge materiale costitutiva. Queste leggi sono state definite sia in accordo con le disposizioni dell'MC2010 sia mediante analisi inverse. Infine, il terzo compito è stato la modellazione di un test di flessione a quattro punti su trave SFRC, sfruttando la precedente calibrazione della legge costitutiva. Inoltre, l'effetto dell'aggiunta di uno strato di rinforzo composito FRCM è stato studiato numericamente su travi SFRC danneggiate e non danneggiate.