Preliminary study of multiscale analysis in fibre reinforced concrete

Abstract

The Reactive Powder Concrete (RPC), is made of a very fine homogeneous and compact matrix, with short steel fibres (added to create pseudo-strain-hardening). The bridging fibre action is beneficial to increase, in fact, the stress carried across the crack. To optimise the mechanical behaviour of this new generation of concrete, the influence of the orientation of fibres due to the process of casting must be taken into account. The purpose of this study is to understand the effect of the orientation of fibres on the damage process. A multiscale modelling is investigated theoretically by considering a locally oriented mass of fibres embedded in a homogeneous matrix. An inclusion model provides a description of the microstructural stress and strain concentration and a model for crack initiation based on stress intensity factor is developed. Analytical expressions are obtained for the maximum principal stresses inside the inclusion and in the matrix. It is shown that, under uniaxial tension, an orientation between 40° and 60° for the inclusion can induce a tensile stress in the matrix at the inclusion-matrix interface and nucleate a crack parallel to the direction of loading.

Résumé

Le béton de poudre réactive est constitué d'une matrice cimentaire compacte et homogène et de fibres métalliques courtes qui améliorent la ductilité. L'effet de «couture» des fibres est très bénéfique et permet d'augmenter, en réalité, la capacité résistante. Afin d'optimiser le comportement mécanique de cette nouvelle génération de béton, l'influence de l'orientation des fibres qui dépend des procédés de mise en œuvre doit être pris en compte. L'objectif de ce travail est d'étudier l'influence de l'orientation des fibres sur les processus d'endommagement. Une analyse théorique multi-échelles a été faite en considérant un paquet de fibres orienté inclus dans une matrice cimentaire homogène. Un modèle d'inclusion est utilisé. Il permet de décrire le champ de contraintes et de déformations et de déterminer un critère de nucléation de fissure basé sur un facteur d'intensité de contraintes. Les expressions analytiques des contraintes maximales principales sont obtenues pour l'inclusion et pour la matrice. Il est montré que, sous une traction uniaxiale, une orientation comprise entre 40° et 60° pour l'inclusion, peut induire des contraintes de traction dans la matrice à l'interface inclusion-matrice et donner naissance à une fissure parallèlement à la direction de chargement.