EXPERIMENTAL STUDY AND NUMERICAL ANALYSIS OF CRACK OPENING IN CONCRETE
Résumé
It is commonly accepted that there is a size effect on the nominal resistances of quasi-brittle materials such as cementitious materials. This effect must be taken into account in the design of the ultimate behaviour of concrete structures in order to avoid damage and crack openings. These parameters are frequently used to study the behaviour of concrete and to characterize the durability of structures. Different theories exist in the literature to describe the size effect. Among them, we find the deterministic theory of Bazant where fracture energy is considered independent of the size and it is assumed that at peak load, the crack length is proportional to the size of the specimen. In this work, attention is paid to investigate experimentally and numerically, the relationship between crack openings and length, and the size of the specimens. In the experimental study, RILEM size effect method is adopted to test geometrically similar concrete beams of various sizes. Two types of concrete mixes are used with varying aggregate sizes in order to further investigate the effect of aggregate size on fracture behaviour. Digital Image Correlation (DIC) technique is adopted in this study to measure the cracking in concrete on the surface of the concrete specimen. It is established as a robust and highly precise tool for fracture measurements such as crack opening and crack length. The results have shown a significant size effect on the process of crack propagation. Furthermore, as the aggregate size increases the size effect becomes more critical. A case study of the size effect on crack openings and crack spacing in reinforced concrete beams is also presented. From serviceability point of view, it is observed that the Eurocode 2 underestimates the crack openings. In the numerical study, the concrete beams are simulated using a nonlocal damage model. The internal length and other model parameters are calibrated by an inverse calibration technique using an automatic procedure. Crack opening profiles are extracted through post-treatment procedures. The mechanical behaviour and the crack propagation are finally analysed, reflecting a similar size effect as detected by the experimental results.
Il est communément admis l'existence d'un effet d'échelle sur les résistances nominales des matériaux quasi-fragiles tels que les matériaux cimentaires. Cet effet doit être pris en compte dans le dimensionnement vis-à-vis du comportement ultime des structures en béton afin de limiter les dommages et les ouvertures de fissures. Celles-ci sont de plus en plus utilisées pour étudier le comportement du béton et caractériser la durabilité des structures. Différentes théories existent dans la littérature pour décrire l'effet d'échelle. Parmi celles-ci on trouve la théorie déterministe de Bazant où l'énergie de fissuration est considérée comme indépendante de la taille et il est supposé qu'à charge maximale, la longueur de fissure est proportionnelle à la taille de l'échantillon. Dans le cadre de ce travail, on s'est attaché à étudier expérimentalement et numériquement les relations entre la longueur de fissure et la taille des éprouvettes. Sur le plan expérimental, l'effet d'échelle est caractérisé par des essais de flexion trois points sur des poutres de béton entaillées de tailles géométriquement similaires. L'influence de la taille des agrégats sur le comportement à la rupture a aussi été étudiée. La technique de Corrélation d'Images Numériques (DIC) est adoptée dans cette étude pour déterminer à la fois la longueur et l'ouverture de la fissure à différentes étapes de chargement. Cette méthode s'est révélée comme un outil robuste et de haute précision pour la mesure des paramètres caractérisant les fissures. Les résultats ont montré un effet de taille significatif sur le processus de propagation des fissures. En outre, l'effet d'échelle diminue lorsque la taille des agrégats augmente. Une étude sur poutres en béton armé est aussi réalisée pour étudier l'effet d'échelle sur l'ouverture et l'espacement des fissures. De point de vue réglementaire, il a été observé que l'Eurocode 2 sous estime les ouvertures de fissures. Sur le plan numérique, le comportement à la rupture des poutres en béton est simulé en utilisant un modèle d'endommagement non local. La longueur interne et d'autres paramètres du modèle sont calibrés par une technique de calibration inverse qui utilise une procédure automatique. Les profils d'ouverture de fissures sont déterminés par des procédures de post-traitement. L'analyse du comportement mécanique et de la propagation des fissures indiquent un effet d'échelle similaire à celui détecté par les résultats expérimentaux.
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