Innovative tests for characterizing mixed-mode fracture of concrete : from pre-defined to interactive and hybrid tests

par Andreea Carpiuc

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Martin Poncelet.

  • Titre traduit

    Dialogue essai-calcul pour le pilotage de fissuration contrôlée du béton : des tests prédéfinis aux tests interactifs et hybrides


  • Résumé

    Pour valider expérimentalement les modèles de fissuration et d'endommagement du béton, pour identifier leurs paramètres et pour mieux caractériser le comportement du béton lors de la propagation des fissures en mode mixte, des nouveaux essais multiaxiaux sont développés. Inspiré de travaux de Nooru-Mohamed (1992) et Winkler (2001), des essais riches et discriminants sont réalisés à l'aide de techniques expérimentales modernes. Le chargement est appliqué en utilisant une machine d'essai à 6 degrés de liberté asservie par un système de pilotage 3D. Pendant tout le déroulement d’essai, l'état de fissuration est analysé par corrélation d'images numériques, ainsi que les conditions limites cinématiques. Avec le dispositif expérimental proposé plusieurs histoires de chargement sont analysées : des chargements multiaxiaux proportionnels et non-proportionnelles, avec et sans refermeture de fissure. Les résultats expérimentaux sont confrontés à des simulations numériques réalisées avec des modèles d'endommagement non-locaux (i.e., à gradient) et avec un modèle de la mécanique linéaire de la rupture couplé avec une technique X-FEM. Le travail souligne l'importance de l'utilisation de conditions aux limites précises, estimées à partir de mesures de champ pour effectuer des simulations numériques qui reproduisent au mieux les résultats expérimentaux. En outre, il est démontré que la réorientation et la bifurcation de la fissure sont essentielles afin de créer des essais de propagation de fissures vraiment discriminants. Basé sur ces résultats expérimentaux, un nouveau type d’essai est finalement proposé. Cet essai hybride consiste à résoudre un problème inverse pour définir les conditions aux limites qui imposeront un trajet de fissuration voulu. Cette nouvelle technique permet une exploration plus complète du comportement mécanique complexe du béton en un seul essai.


  • Résumé

    To experimentally validate concrete damage and fracture models, identify their parameters and better characterize the concrete behaviour during mixed-mode crack propagation, multiaxial tests are developed. Inspired by former works of Nooru-Mohamed (1992) and Winkler (2001), rich and discriminating tests are performed by using state of the art techniques, where the experimental boundary conditions are directly measured during crack propagation. The loadings are applied using a hexapod testing machine controlled by a 3D displacement system and the cracking state is analysed via digital image correlation.With the proposed experimental setup several loading histories are analysed: proportional multiaxial loading histories and non-proportional ones, with and without crack closure and friction. The experimental results are confronted with numerical simulations performed with nonlocal (i.e., gradient) damage models and with a linear elastic fracture model coupled with the X-FEM framework. The present work underlines the importance of using accurate boundary conditions, estimated from full field measurements, to perform numerical simulations that reproduce the experimental results. Moreover it is shown that crack reorientation and crack branching is vital to create discriminant crack propagation tests.Based on these experimental results a innovative hybrid test is proposed, where the boundary conditions leading to a given crack path are found by solving an inversed problem. This new discriminating concrete fracture test is able to fully investigate its complex mechanical behaviour within a single run.


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