THE LATTICE DISCRETE PARTICLE MODEL (LDPM) FOR FRP CONFINED CONCRETE COLUMNS, EXPLORING THE PROPER ORTHOGONAL DECOMPOSITION (POD) TECHNIQUE

Fiber Reinforced Polymers (FRP) have been widely exploited in different civil engineering applications to enhance the performance of concrete structures through flexural, shear or compression strengthening. One of the most common and successful use of FRP sheets can be found in confinement of existing concrete vertical elements which need rehabilitation or increased capacity in terms of strength and ductility. The efficient design of FRP retrofitting requires full understanding of the concrete behavior under the complex triaxial stress state due to the passive confinement mechanisms and, for this reasons, realistic numerical models are commonly sought by the research community. In this study, experimental data gathered from the literature and relevant to the problem of FRP-confined columns subjected to uniaxial compression are simulated by the so called Lattice Discrete Particle Model (LDPM) which was recently developed to simulate concrete materials by modeling the meso-scale interaction of coarse aggregate particles. LDPM has been extensively calibrated and validated with comparison to a large variety to experimental data under both quasi-static and dynamic loading conditions but it has not been fully validated with reference to low confinement compressive stress states, relevant to the targeted application. This task is pursued in the present research. The results show that, with the improvement of the existing LDPM constitutive equations to account for low confinement effects, LDPM is able to predict the concrete material response under FRP-confinement and the developed model can capture the realistic behavior of FRP confined columns with different cross sections. The present research also deals with the computational aspects of the simulations: the LDPM computational framework is implemented into a multi-purpose structural analysis program called MARS, which is based on an explicit dynamic algorithm scheme, advantageous in terms of convergence. However, decreasing the maximum stable time step with the highest natural frequency of the system, the computational time necessary to carry out simulations of quasi-static events, like the compression tests in the present study, might be highly demanding. In order to decrease the computational cost of the simulations, the Proper Orthogonal Decomposition (POD) as a model reduction technique has been explored for the application to the LDPM models of FRP confined columns and the relationship between efficiency gain and accuracy loss is discussed.

I materiali fibrorinforzati a matrice polimerica (FRP) sono utilizzati in svariate applicazioni nel campo dell'ingegneria civile, per migliorare le prestazioni delle strutture in calcestruzzo, dal punto di vista della resistenza a flessione, a taglio, a compressione. Uno degli utilizzi più comuni e apprezzati di questi materiali è legato al confinamento di membrature verticali esistenti, che necessitano di recupero o di un'aumentata resistenza e/o duttilità. La progettazione efficace del rinforzo con FRP richiede piena comprensione del comportamento del calcestruzzo soggetto ai complessi stati tensionali dovuti al confinamento passivo e, per questa ragione, lo sviluppo di un modello numerico realistico è stato ed è tutt'ora uno degli obiettivi principali dei ricercatori. In questa sede, il cosiddetto Lattice Discrete Particle Model (LDPM), recentemente sviluppato per simulare il calcestruzzo attraverso l'interazione degli aggregati a livello di mesoscala, è stato applicato al problema della modellazione di colonne confinate con FRP e sottoposte a compressione, utilizzando come riferimento dati sperimentali di letteratura. LDPM era stato estesamente calibrato e validato sulla base di una larga varietà di condizioni di carico, sia quasi statiche che dinamiche, ma non in relazione a stati tensionali dovuti a compressione con bassi livelli di confinamento, che sono quelli rilevanti nella presente applicazione. Con il miglioramento proposto delle equazioni constitutive in compressione, LDPM è in grado di predire la risposta del calcestruzzo confinato con FRP e il modello sviluppato può simulare realisticamente il comportamento di colonne confinate con differenti sezioni. La presente ricerca affronta, parallelamente, gli aspetti più computazionali delle simulazioni con LDPM: questo modello è implementato in un software chiamato MARS, che si basa su un algoritmo esplicito, vantaggioso in termini di convergenza. Tuttavia, per ragioni di stabilità il costo computazionale richiesto per simulare eventi quasi statici, come i test di compressione di questo studio, può risultare molto sconveniente. Per ridurre i tempi di analisi, la tecnica della Proper Orthogonal Decomposition (POD) è stata esplorata in relazione all'applicazione di LDPM al caso delle colonne confinate con FRP sottoposte a compressione, valutando il rapporto tra guadagno computazionale e accuratezza dei risultati.