Shear-flexural beam finite element for nonlinear analysis of concrete structures

The behavior of reinforced concrete in shear has been studied for more than 100 years, but this phenomenon remains open to discussion. While for flexure the plane sections hypothesis forms the basis of a universally accepted and simple theory, for shear there is no agreed basis for a rational theory. This lack allowed researchers to approach the problem with different conventions and to give more attention to some mechanisms rather than to others. To overcome this problem, the main developed shear models are here organized and compared in Bidimensional and Unifilar models. The fundamental employed principles and the degree of adherence to the rigorous principles of materials’ mechanics were the keys to organize all shown 2D models into three components: the equilibrium (plasticity) truss model, the softened truss model and the softened membrane model. Concerning Unifilar models, to extend a 2D physical problem to a 1D simple model, the main developed sectional kinematics approaches are presented into two groups: inter-fiber equilibrium approaches and fixed pattern approaches. This critical work has been the guide to formulate a shear-flexural beam finite element for nonlinear analysis of concrete frames in 3D space. The displacement-based model is characterized by distributed nonlinearity, Timoshenko theory at element level, smeared cracked rotating-angle approach for cracked concrete, smeared steel for stirrups and Fixed Stress Approach at sectional level. The model considers also geometric nonlinearity and prestressing, and has been validated with some experimental tests found in literature. The proposed framework is also extended to include the effects of corrosion on both longitudinal and transversal reinforcement. The formulation is finally validated based on some experimental tests on beams under accelerated corrosion.

Il comportamento a taglio del cemento armato è stato studiato per più di 100 anni, ma rimane tuttora aperto alla discussione. Mentre per la flessione l'ipotesi delle sezioni piane costituisce la base di una teoria semplice e universalmente accettata, per il taglio non esiste una base condivisa. Questa mancanza ha permesso ai ricercatori di porre maggiore attenzione su alcuni meccanismi piuttosto che altri. Per superare questo ostacolo, i principali modelli a taglio sviluppati vengono qui organizzati e comparati distinguendo i modelli bidimensionali da quelli unifilari. Il grado di aderenza ai principi rigorosi della meccanica dei materiali è stato la chiave per organizzare in tre componenti tutti i modelli 2D mostrati: il modello a traliccio equilibrato, il modello a traliccio con softening e il modello a membrana con softening. Per quanto riguarda i modelli unifilari, i principali approcci cinematici sezionali sviluppati vengono presentati in due gruppi: approcci che considerano l’equilibrio tra le fibre e approcci a schema imposto. Questo lavoro critico è stato la guida per formulare un elemento finito di trave ad interazione taglio-flessione per l'analisi non lineare delle strutture in calcestruzzo nello spazio 3D. Il modello basato sugli spostamenti è caratterizzato dall'approccio ad angolo variabile diffuso per il calcestruzzo fessurato, dall'acciaio diffuso per le staffe e dall'approccio a sforzo di taglio imposto. Il modello considera anche la non linearità geometrica e la precompressione, ed è stato validato su alcune prove sperimentali presenti in letteratura. Il lavoro proposto viene anche esteso per includere gli effetti della corrosione sulle armature longitudinali e trasversali. La formulazione viene infine validata sulla base di alcuni test sperimentali su travi sottoposte a corrosione accelerata.