Advanced beam finite element models with warping and bond-slip for concrete structures: addressing objectivity issues, prestressing and time-dependent effects [Modelli avanzati di elementi di trave con warping e bond-slip per strutture in calcestruzzo: analisi dei problemi di oggettività, precompressione ed effetti dipendenti dal tempo]

Questa tesi indaga formulazioni avanzate di elementi finiti di trave per l’analisi non lineare di telai in calcestruzzo armato (RC), precompresso (PC) e compositi, con l’obiettivo di migliorare l’accuratezza numerica e meccanica mantenendo al contempo un’elevata efficienza computazionale. Il lavoro si basa su modelli di trave consolidati e analizza, in cinematica a piccole deformazioni, l’equivalenza teorica tra formulazioni miste e a base di forze. Su tali basi viene proposta una nuova formulazione force-based con bond-slip, nella quale l’interazione acciaio-calcestruzzo è incorporata lungo l’intera lunghezza dell’asta e la precompressione può essere applicata direttamente a livello di elemento. L’approccio consente la gestione di tracciati di cavi arbitrari mediante rotazioni appropriate per fibre curve, e tiene conto delle fasi costruttive e dei fenomeni viscosi dipendenti dal tempo (viscosità, ritiro, rilassamento) attraverso variabili interne con memoria e una strategia numerica coerente. Un contributo centrale consiste nella derivazione di elementi arricchiti con warping e bond-slip, inclusa una formulazione completamente mista warping–bond-slip. Il warping è introdotto a livello di sezione mediante funzioni di forma costruite da funzioni di warping dedicate, che forniscono una base ortogonale per il campo di spostamento addizionale. Ciò permette di ottenere un insieme compatto di gradi di libertà di warping, riducendo la dimensione degli operatori di sezione e il costo computazionale complessivo, migliorando al contempo la cinematica di sezione in presenza di taglio e torsione. Il quadro costitutivo integra modelli di plasticità e danno plastico tridimensionali con leggi cicliche unidimensionali per acciaio da armatura, cavi di precompressione, calcestruzzo, bond-slip e altri materiali impiegati nelle sezioni a fibre. In tale contesto viene derivato e implementato il tangente algoritmico coerente per il modello 3D di danno/plasticità, garantendo la convergenza quadratica robusta delle iterazioni globali di Newton. Dal punto di vista computazionale, il lavoro formalizza la scelta delle funzioni di forma e delle regole di integrazione per l’interpolazione dell’elemento e della sezione, ed estende strategie di regolarizzazione locale adatte a materiali con comportamento degradante. Tuttavia, gli elementi di trave displacement-based, force-based e misti soffrono di problemi di localizzazione in presenza di ammorbidimento, che conducono a risposte dipendenti dalla mesh, sebbene con meccanismi differenti. In questo lavoro l’attenzione è rivolta alla localizzazione dovuta a fessurazione, poiché quella derivante da schiacciamento del calcestruzzo è stata già ampiamente trattata in studi precedenti. Per superare tali limitazioni, vengono proposte formulazioni avanzate con bond-slip e warping sia nel contesto displacement-based (D-BW) sia in quello misto (M-BW). Tali arricchimenti ripristinano l’oggettività numerica localizzando correttamente danno e scorrimento, e prevenendo la propagazione spurie delle fessure attraverso la mesh. I modelli proposti sono valutati mediante un ampio insieme di applicazioni: prove di oggettività rispetto alla mesh e all’integrazione, test di mensole e travi in condizioni di perfetta aderenza, assenza di aderenza e aderenza parziale, nonché elementi precompressi con cavi deviati, trasferimento in fasi e fenomeni viscosi di lungo periodo. I risultati dimostrano accuratezza nelle analisi non lineari statiche e dipendenti dal tempo, efficienza computazionale con un numero ridotto di elementi, fibre e punti di integrazione, e prestazioni stabili anche in regime di ammorbidimento. Confronti con risultati sperimentali e riferimenti numerici raffinati confermano la maggiore capacità predittiva delle formulazioni e la loro idoneità nel riprodurre schemi realistici di fessurazione e redistribuzione degli sforzi al variare delle condizioni di aderenza. Nel complesso, la tesi fornisce un quadro coerente ed estensibile per modelli avanzati di travi, immediatamente implementabile in codici di analisi generali. L’organizzazione modulare ne favorisce l’estensione a diversi materiali e tipologie di sezione, mentre la cinematica arricchita con bond-slip e warping offre una via efficace per garantire oggettività e affidabilità nell’analisi di strutture in calcestruzzo armato, precompresso e composite soggette ad azioni accoppiate assiale-flessionale-tagliante-torsionale e a effetti dipendenti dal tempo.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2026

Author dc:creator

• PARENTE, LUCA

Contributors dc:contributor

• CUOMO, Massimo
• CONTRAFATTO, Loredana Caterina

• Beam finite element
• Reinforced concrete
• Prestressed concrete
• Bond-slip
• Warping
• Mixed formulation
• Objectivity
• Time-dependent effect
• Plasticity
• Nonlinear analysis
• Elemento finito di trave
• Calcestruzzo armato
• Calcestruzzo precompresso
• Formulazione mista
• Oggettività
• Effetti dipendenti dal tempo
• Plasticità
• Analisi non lineare

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/706295

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/706295