Application of different constitutive laws : for fiber reinforced concrete structures

Steel Fibre Reinforced Concrete (SFRC) is increasingly employed in structural applications due to its improved post-cracking behaviour, residual tensile strength, crack control, and energy dissipation capacity. However, its numerical modelling remains challenging, as the structural response is strongly influenced by the adopted tensile constitutive law, the contribution of the steel fibres, and the assumptions governing damage evolution. This thesis investigates the application of different constitutive laws for the finite element modelling of SFRC structures. In particular, the constitutive model proposed by the fib Model Code 2020@fibMC2020Draft and a recently developed modified damage-plasticity model available in the literature are implemented and compared in Abaqus. The models are first applied to notched beam specimens subjected to bending tests in order to assess their ability to reproduce the residual flexural behaviour and the equivalent strength parameters. The study is subsequently extended to structural slab elements by comparing the numerical load-displacement curves, plastic strain distributions, maximum principal stress fields, and crack patterns with the corresponding experimental results. The analyses show that both models are capable of reproducing the main qualitative features of the behaviour of steel fibre reinforced concrete, including post-cracking load transfer and the dominant cracking mechanisms. However, the quantitative accuracy is strongly dependent on the adopted stress–crack opening law and the calibration of the residual tensile strengths. The modified damage-plasticity model generally predicts higher load-carrying capacities and a greater localization of damage, whereas the fib Model Code 2020 approach provides, in general, more accurate predictions. The thesis also proposes a modified tensile constitutive law to be implemented within the damage-plasticity model, calibrated to more closely match the residual strength parameters prescribed by the fib Model Code 2020, thereby improving the agreement with the experimental results, particularly in the case of reinforced slabs. Overall, the results confirm the importance of an appropriate definition of the tensile constitutive law for the reliable numerical simulation of SFRC and highlight the potential of calibrated damage-plasticity formulations for structural applications.

Il calcestruzzo fibrorinforzato con fibre d'acciaio (SFRC) è sempre più utilizzato nelle applicazioni strutturali grazie al miglioramento del comportamento post-fessurativo, della resistenza residua a trazione, del controllo della fessurazione e della capacità di dissipazione energetica. Tuttavia, la sua modellazione numerica rimane complessa, poiché la risposta strutturale è fortemente influenzata dalla legge costitutiva a trazione adottata, dal contributo delle fibre e dalle ipotesi relative all'evoluzione del danno. La presente tesi analizza l'applicazione di diverse leggi costitutive per la modellazione agli elementi finiti di strutture in SFRC. In particolare, vengono implementati e confrontati in Abaqus il modello proposto dal fib Model Code 2020@fibMC2020Draft e un recente modello a danno e plasticità modificato disponibile in letteratura. I modelli sono inizialmente applicati a provini intagliati sottoposti a prove di flessione, al fine di valutarne la capacità di riprodurre il comportamento flessionale residuo e i parametri di resistenza equivalente. Successivamente, lo studio viene esteso a elementi strutturali a piastra, confrontando le curve numeriche carico-spostamento, le distribuzioni di deformazione plastica, i campi di tensione principale massima e i quadri fessurativi con i risultati sperimentali. Le analisi mostrano che entrambi i modelli sono in grado di cogliere il comportamento qualitativo principale del materiale fibro-rinforzato, inclusi il trasferimento di carico dopo la fessurazione e i meccanismi fessurativi dominanti. Tuttavia, l'accuratezza quantitativa dipende fortemente dalla legge sforzo-apertura di fessura e dalla calibrazione delle resistenze residue. Il modello a danno e plasticità modificato tende generalmente a prevedere capacità portanti più elevate e una maggiore localizzazione del danno, mentre l'approccio del fib Model Code 2020 fornisce in generale una risposta più accurata. Il lavoro di tesi propone anche una versione modificata della legge a trazione da inserire nel modello a danno e plasticità calibrata in modo più vicino ai parametri residui forniti dal fib Model Code 2020, migliorando l'accordo con i risultati sperimentali, in particolare nel caso delle piastre armate. Nel complesso, i risultati confermano l'importanza di una corretta definizione della legge costitutiva a trazione per simulazioni affidabili del calcestruzzo fibro-rinforzato e mettono in evidenza il potenziale delle formulazioni a danno e plasticità calibrate per applicazioni strutturali