Probabilistic aspects of fracture energy of concrete

Abstract

A test method to determine fracture energy and strain-softening in direct tension is described. Experimental results on cylinders of equal diameter and varying length are reported. It is found that the tensile strength decreases with increasing volume while the fracture energy remains constant within the observed volume range. By means of numerical simulation, it is shown that in a direct tension test several fracture process zones appear in the initial states of cracking and that final rupture is induced by the development of only one of these fracture zones. This phenomenon has been observed experimentally by other authors. A comparatively large number (44) of identical samples were tested by using the wedge-splitting test. Half the specimens were grooved. The fracture energy of the grooved and ungrooved specimens turned out to be the same within the given range of accuracy. It was observed experimentally and simulated numerically that in grooved specimens the crack is forced to follow a ragged fracture surface which is statistically not the weakest one. In an ungrooved specimen the crack path generally diverts from the centre line and advances through weaker zones. For the formation of these skew cracks, however, more energy is consumed due to aggregate interlock. In addition, the fracture process zone observed in ungrooved specimens is generally wider.

Resume

Dans cet article, on décrit une méthode expérimentale permettant de déterminer l'énergie de rupture et le diagramme de radoucissement d'une éprouvette sollicitée en traction directe. On donne les résultats expérimentaux obtenus sur des éprouvettes cylindriques de même rayon mais de longeur variable. On a trouvé que la résistance à la traction décroît lorsque le volume augmente alors que l'énergie de rupture conserve une valeur constante dans la gamme des volumes considérée. On a montré par simulation numérique que plusieurs zones d'endommagement apparaissent à l'état initial de fissuration; cependant, la rupture finale est induite par le développement d'une seule de ces zones d'endommagement. Ces phénomènes ont aussi été observés expérimentalement par d'autres auteurs. Un nombre relativement grand (44) d'éprouvettes identiques ont été essayées par la méthode de l'essai de fendage par coin. La moitié de ces spécimens sont pourvus d'une rainure le long de leur ligament. Il s'est avéré que l'énergie de rupture est la même pour les éprouvettes rainurées et non rainurées ceci à la précision des mesures près. On a observé, aussi bien expérimentalement que numériquement, que dans les éprouvettes munies d'une rainure, la fissure est contrainte de suivre une surface de rupture effilée, qui n'est pas statistiquement la plus faible. Dans le cas d'éprouvettes non rainurées, la chemin de la fissure dévie généralement de la ligne centrale et progresse vers les zones les plus faibles. Ces fissures qui obliquent nécessitent cependant une plus grande consommation d'énergie à cause du mécanisme de l'engrenage inter-granulaire. En plus, la zone d'endommagement observée sur les éprouvettes non rainurées est généralement plus large.