Validation and application of a modified plastic damage model for steel fibre reinforced concrete structures

Concrete, a material that is particularly brittle in tension, can achieve greater ductility through the addition of steel fibers, which enhance the post-cracking response through the pull-out mechanism. Among the modeling strategies available in the literature, damage-plasticity models are widely used to describe the behavior of plain concrete; however, when applied to fiber-reinforced concrete, they fail to adequately capture the contribution of the fibers, particularly in the post-cracking regime. To overcome this limitation, the Modified Damage Plasticity (MDP) model has been developed as an extension of the original formulation, incorporating the characteristic softening behavior of steel fibre reinforced concrete by embedding into the tensile constitutive law the effects of the pull-out mechanism for both straight and hooked fibers. This thesis aims to develop and validate the MDP model through a two-scale investigation. First, the model is assessed at the material level by means of numerical simulations of tensile and compressive tests, with the goal of evaluating its ability to reproduce the main resistance mechanisms of fiber-reinforced concrete. Subsequently, the model is applied to more complex structural systems, with particular attention to shallow beams, in order to assess its accuracy in predicting global structural response. Finally, a parametric study examines the influence of the tensile constitutive law and the plasticity parameters on the performance predicted by the MDP model.

Il calcestruzzo, materiale fragile soprattutto a trazione, può acquisire una maggiore duttilità grazie all’aggiunta di fibre in acciaio, che contribuiscono alla risposta post-fessurativa attraverso il meccanismo di sfilamento. Tra i metodi di modellazione presenti in letteratura, i modelli basati su danno e plasticità sono largamente utilizzati per descrivere il comportamento del calcestruzzo ordinario; tuttavia, applicati al calcestruzzo fibro-rinforzato, essi non riescono a rappresentare adeguatamente il contributo delle fibre, in particolare nel ramo post-fessurativo. Per superare tale limitazione, è stato sviluppato il Modified Plastic Damage (MDP) model, un’estensione del modello originario che incorpora il comportamento di softening tipico del cancestruzzo fibro-rinforzato, includendo nella legge costitutiva a trazione gli effetti del meccanismo di sfilamento sia per fibre dritte sia per fibre uncinate. La presente tesi si propone di sviluppare e validare il MDP model attraverso un percorso articolato su due scale di analisi. In primo luogo, il modello viene verificato a livello di materiale mediante simulazioni numeriche di prove di trazione e compressione, con l’obiettivo di valutarne la capacità di riprodurre i principali meccanismi resistenti del calcestruzzo fibro-rinforzato. Successivamente, il modello è applicato a sistemi strutturali più complessi, con particolare attenzione alle travi (con limitato spessore), per valutarne l’accuratezza nella previsione della risposta globale. Infine, uno studio parametrico approfondisce l’influenza della legge costitutiva a trazione e dei parametri di plasticità sulle prestazioni previste dal MDP model.