Advanced modeling of detachment and joints in concrete and wood

La predizione del carico e della modalità di rottura di una struttura è uno degli obiettivi più importanti e impegnativi dell’ingegneria civile. In questo ambito, l’utilizzo di modelli matematici e simulazioni numeriche sta via via assumendo sempre più importanza, visti la maggiore velocità di esecuzione e il minore impatto economico rispetto ai test in laboratorio. Il lavoro in esame si focalizza sulla simulazione agli Elementi Finiti (FE) di diversi problemi non-lineari nel campo 3D relativi ad interventi di riabilitazione su strutture in calcestruzzo e legno. In questo contesto è necessario che i modelli numerici sviluppati siano veloci, stabili e in grado di descrivere correttamente il comportamento del materiale senza aumentare troppo l’onere computazionale richiesto dalla simulazione. Per l’esecuzione delle simulazioni è stata usata una variante regolarizzata del metodo eXtended Finite Element Method (XFEM) proposto da Belytschko e dai suoi collaboratori [1]. Il modello numerico proposto in questo lavoro, denominato REgularized XFEM (3D RE-XFEM), è stato sviluppato da Benvenuti [2] per lo studio di discontinuità sia di tipo forte che di tipo debole. Inizialmente, il modello è stato utilizzato per l’analisi di problemi piani di tensione relativi al calcestruzzo [3] e a materiali quasi-fragili [4, 5], mentre, recentemente, il modello è stato utilizzato per lo studio in campo lineare di problemi 3D relativi a interfacce planari e curve [6], e ad inclusioni [7]. Dal momento che le precedenti analisi 2D del modello RE-XFEM hanno dimostrato l’affidabilità e la robustezza del sopracitato algoritmo, nel presente lavoro una formulazione 3D non-lineare del modello, denominata 3D RE-XFEM, è stata implamentata in un codice parallelizzato FORTRAN [8] e applicata con successo a diversi problemi ingegneristici. La tesi raccoglie i risultati ottenuti dalla modellazione di diverse prove su travi in calcestruzzo e legno attraverso il modello 3D RE-XFEM. In particolare, gli argomenti trattati in questo lavoro possono essere divisi principalmente in due parti: • La prima parte è dedicata alla modellazione del distacco di rinforzi in FRP da provini in calcastruzzo. Il Cap. 2 introduce la formulazione dell’approccio 3D RE-XFEM nel caso di materiali quasi fragili, quali il calcestruzzo. Nel Cap. 3 vengono presentati i risultati ottenuti dalle simulazione del distacco dei rinforzi in FRP da blocchi di calcestruzzo, pubblicata in Ref. [9]. Il Cap. 4 è invece dedicato all’investigazione di travi rinforzate con FRP soggette a flessione, i cui risultati sono stati pubblicati in Ref. [10, 11]. • La seconda parte della tesi si focalizza sulla simulazione di strutture in legno. In particolare, nel Cap. 5 sono riportate alcune analisi, pubblicate in Ref. [12], effetuate mediante l’uso di un modello di danno ortotropo disponibile in letteratura, relative a travi di legno sottoposte ad un intervento di riabilitazione ad una delle estremità. Il Cap. 6 è dedicato allo sviluppo di un nuovo inedito modello costitutivo 2D che abbina ad un modello ortotropo elasto-plastico-danneggiante alla metodologia RE-XFEM per strutture in legno. Infine, nel Cap. 7 vengono raccolti e discussi gli aspetti significativi trattati nella tesi.

The prediction of the structures failure is one of the most important and yet challenging tasks in civil engineering. Numerical studies are faster and cheaper than experimental studies. For these reasons, numerical models are useful for researchers. The present work focuses on the Finite Element (FE) simulation of several non-linear 3D engineering problems related to the rehabilitation of concrete and wooden structural elements. In the considered context, the numerical model employed has to be fast, stable and robust to tackle the complexity and the computational burden of the problems to be solved. The numerical method employed for the simulations is a regularized variant of the eXtendend Finite Element Method (XFEM) proposed by Belytschko and coworkers [1]. The computational model, called REgularized XFEM (3D RE-XFEM), has been developed by Benvenuti [2] in order to study strong and weak discontinuities. Initially, it has been used to study the non-linear evolution of discontinuities in 2D plane-stress problem in concrete [3] and concrete-like [4, 5] materials. Recently, the model has been employed to study linear 3D problems involving planar/curved interfaces [6] and inclusions [7]. Since the previous 2D applications proved the stability and the reliability of the RE-XFEM, in this work, the 3D non-linear formulation (3D RE-XFEM) of the method has been implemented into a parallelized FORTRAN code [8] and successfully applied to several engineering problems. The thesis collects the results obtained for the modelling of concrete and wooden beams through the 3D RE-XFEM. In particular, the topics covered by this work can be divided into two main parts: • The first part is devoted to the modelling of the detachment of FRP reinforcements from concrete specimens. Ch. 2 introduces the 3D REXFEM approach for concrete and concrete-like materials. Ch. 3 presents the results obtained in the simulation of the detachment process of FRP plates from concrete blocks published in Ref. [9]. Ch. 4 is devoted to the investigation of FRP reinforced bended beams presented in Refs. [10, 11]. • The second part of the thesis focuses on the simulation of wooden structures. In particular, in Ch. 5 the analyses of end-repaired beams published in Ref. [12] using an orthotropic elasto-damaging model available in literature are discussed. Ch. 6 is devoted to the development of a new unpublished 2D constitutive elasto-damaging plastic model combined with the RE-XFEM for wooden structures. In the end, Ch. 7 summarizes results and significant aspects achieved in this thesis.