Experimental investigation of the fatigue strength of plain concrete under high compressive loading

Abstract

Fatigue tests are conducted on plain concrete cylinders subjected to axial cyclic compression. The upper level of the cyclic stress ranges between 60% and 90% of the static compressive strength. A method based on volume strain measurements is used to predict the individual static strength of each tested sample. The results of fatigue tests are presented in a load versus cycles to failure diagram. The recorded values of the longitudinal strains are, plotted in terms of number of cycles. The test figures are discussed assuming that the failure is a result of both time and cycle dependent damage. For loading levels ranging up to 80% of the static strength, the number of cycles to failure shows hardly any variation with the effects of time. Above this level, the fatigue strength proves to be more sensitive to time dependent effects, as the level of loading increases.

Resume

Ce travail examine l'influence de chargements de compression cyclique sur la résistance du matériau béton sollicité au-delà de la limite couramment admise, pour les contraintes de compression dans les ouvrages en phase d'utilisation. De tels chargements, à caractère accidentel, peuvent résulter d'actions d'origine sismique par exemple.

Les essais sont réalisés sur des éprouvettes cylindriques en béton non armé, soumises à une force de compression cyclique sinusoïdale, de fréquence égale à 10 Hz. Pour chaque éprouvette, le niveau minimal du cycle de chargement est égal à 10% de la résistance statique à la compression, alors que le niveau maximal est fixé à une valeur comprise entre 60% et 90% de cette même résistance. Afin de limiter l'incertitude portant sur la résistance statique, la résistance individuelle de chaque éprouvette est déterminée avant l'essai cyclique à partir de la dilatation volumique de l'éprouvette concernée.

Les essais sont menés jusqu'à la rupture. Les résultats obtenus sont présentés sous la forme d'un diagramme de Wöhler. La déformation longitudinale, enregistrée pour chaque éprouvette pendant la durée de l'essai, est représentée en fonction du nombre des cycles appliqués. La forme des courbes suggère l'existence d'une phase de flauge secondaire, suivie d'une phase de fluage tertiaire conduisant à la rupture. Compte tenu de cette observation, le dommage total peut être considéré comme résultant d'un, endommagement de fatigue pure couplé à un endommagement par fluage. Cette hypothèse permet, de proposer une formulation générale des courbes S−N relatives au béton comprimé. En particulier, la relation ainsi établie permet de rendre compte de la sensibilité de la résistance du béton à la fatigue vis-à-vis de la variable temps, dès lors que le niveau du chargement cyclique dépasse 80% de la résistance statique à la compression. Cette sensibilité est d'autant plus marquée que le niveau de chargement est plus élevé, en plein accord avec les observations expérimentales habituelles.