Etude numérique et validation expérimentale de l'effet taille des semis lisses et fissurés en mode I

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7570 (2023) Citer cet article

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L'éprouvette de courbure semi-circulaire (SCB) fissurée sur bord soumise à une charge de flexion en trois points est utilisée dans de nombreuses applications pour mesurer le comportement à la rupture de matériaux quasi-fragiles. L'objectif principal du présent travail était d'étudier l'effet du rapport longueur de fissure/rayon de l'éprouvette SCB (a/R), du rapport portée/diamètre de l'éprouvette (S/D) et de la taille de l'éprouvette sur son comportement en flexion et en mode I de croissance des fissures. . La méthode intégrale de contour a été mise en œuvre à l’aide de la méthode des éléments finis 3D pour déterminer le facteur d’intensité de contrainte en mode I. De plus, des échantillons de béton à haute résistance ont été étudiés expérimentalement pour valider les résultats numériques. Les résultats montrent que la contrainte maximale de compression n'est pas sensible à la valeur S/D, alors que la contrainte de traction est très sensible. La valeur de S/D est le principal paramètre contrôlant la force motrice de la fissure (c'est-à-dire le déplacement de l'ouverture de l'embouchure de la fissure (CMOD) et le facteur d'intensité de contrainte normalisé, YI). Pour le même S/D, le changement de valeur du diamètre de l’échantillon SCB a un effet marginal sur CMOD et YI. L'éprouvette avec S/D = 0,8 a montré qu'il s'agit de l'éprouvette la plus compatible avec les conditions d'essai de flexion à trois points, quelle que soit la taille de l'éprouvette SCB. Un bon accord entre les résultats numériques et expérimentaux a été obtenu.

L'éprouvette de courbure semi-circulaire (SCB) fissurée sous une charge de flexion en trois points est utilisée pour mesurer le comportement à la rupture des matériaux rocheux, du béton, des mélanges d'asphalte et des biomatériaux1,2,3,4,5. Le principal avantage de l’utilisation de l’échantillon SCB est qu’il peut facilement être prélevé au cœur de n’importe quel matériau6. De plus, il dispose d'une géométrie et d'une procédure de test simples pour calculer la ténacité à la rupture en mode mixte I–II7,8,9. Arsalan et al.10 ont récemment amélioré l'éprouvette SCB pour obtenir le comportement de rupture en mode mixte d'un adhésif ductile avec une zone de processus de rupture considérable en avant de la pointe de la fissure. Le SIF en mode mixte est fonction du rapport de longueur de fissure a/R. Son orientation concerne la direction du chargement et la distance entre les supports11,12, comme le montre la Fig. 1. La longueur des fissures semble être un facteur plus important que l'épaisseur de l'éprouvette sur le SIF13. De plus, les SIF deviennent très sensibles aux valeurs élevées du rapport de longueur de fissure par rapport au rayon de l'éprouvette SCB (a/R)8.

Géométrie et conditions de chargement des éprouvettes SCB.

De plus, Lim et al.14 ont étudié l'effet de a/R, du rapport portée/diamètre de l'éprouvette (S/D) et de l'orientation des fissures sur le SIF des éprouvettes SCB lors d'essais de flexion en trois points. Ils ont constaté que le SIF mode II devient de plus en plus dominant à mesure que la longueur de la portée du support est réduite ou lorsque l'angle et la longueur de la fissure augmentent. Ils ont conclu que le SIF n'est pas aussi sensible aux variations de la géométrie des éprouvettes SCB à une courte longueur de fissure. Adamson et al.15 ont utilisé une méthode de fonction de poids pour prédire un SIF et un CMOD de SCB. En outre, Aliha et al.16 ont utilisé l'éprouvette SCB fissurée sur les bords, fabriquée à partir de bétons polymères renforcés de fibres de verre à brins coupés, dans le cadre d'un essai de flexion en trois points pour évaluer la ténacité. De plus, ils ont utilisé l’éprouvette SCB non fissurée pour obtenir la résistance à la traction. Le champ de contraintes autour du fond de fissure est généralement basé sur les SIF, la croissance des fissures et le coefficient du premier terme non singulier. La ténacité à la rupture peut être déterminée à partir des états de contrainte critiques ou de l’énergie près de la pointe de la fissure, comme cela est requis pour l’initiation d’une fracture fragile19,20. Par conséquent, le calcul de la contrainte critique et de la ténacité est nécessaire.

De nombreux chercheurs21,22,23,24,25,26,27,28 ont évalué différentes éprouvettes pour mesurer la ténacité réelle de plusieurs matériaux fragiles. En outre, beaucoup d’entre eux ont étudié les effets de la taille des échantillons de disques sur le comportement de fracture, comme Aliha et al.24, qui ont étudié les effets de la géométrie et de la taille des échantillons de SCB et de disques circulaires sur les trajectoires de fracture dans les roches calcaires soumises à un chargement en mode mixte. . De plus, Abd-Elhady22 a étudié l’effet de l’épaisseur de l’échantillon SCB sur les SIF en mode mixte I/II. La contrainte de flexion et la déflexion des éprouvettes SCB fissurées sur les bords et soumises à une charge de flexion en trois points ont été considérées comme les principaux facteurs responsables de la propagation des fissures dans les éprouvettes. Stewart et al.6 ont comparé les normes d'essai de rupture SCB et DCT29,30,31,32 pour les mélanges d'asphalte et de granulats. Ils ont constaté que les tests SCB mesurent une faible résistance à la fracture avec un coefficient de variation élevé, tandis que le test DCT mesure la résistance à la fracture avec un faible coefficient de variation. Au contraire, Yang et al.11 ont comparé trois types différents d'éprouvettes de type courbure à trois points (c'est-à-dire poutre crantée à un seul bord (SENB), éprouvettes à disque à encoche sur bord (ENBD) et éprouvettes SCB) pour mesurer la ténacité de mélange d'asphalte. Les échantillons SENB présentaient la ténacité à la rupture la plus faible, tandis que les échantillons ENBD présentaient la plus élevée. Bažant et ses collègues28 ont déclaré que les progrès dans les codes de conception et dans la pratique de ces matériaux avaient été retardés par de longues controverses sur la forme mathématique appropriée et la justification de la loi de l'effet de taille. Les dimensions des éprouvettes SCB standard29,30,31 sont de 150 mm de diamètre et le rapport entre l'épaisseur de l'éprouvette et son rapport de rayon (B/R) = 1/3. De plus, le S/D = 0,8 et a/R = 0,2.

0, the peak value of the bending stress is transmitted to the crack tip by a higher tension value. This peak value of the maximum bending stress increases by increasing the crack length, as shown in Fig. 7./p> 0. In the case of S/D = 0.8, the parabolic shape clearly appears, while in the case of S/D = 0.6 and 0.4, a plateau region appears in the middle of the span. This may be considered further evidence of the superiority of S/D = 0.8. In contrast to the conventional 3 PB specimen, the flexural stiffness (EI) in the SCB specimen varies along its span due to the change in its depth. In other words, the shape of the deflection curve along the span of the SCB specimen is mainly affected by the variation of the specimen depth along the beam span (i.e., the variation of the moment of inertia, I)./p> 0. For S/D = 0.8, the deflection of the SCB specimen has a linear relationship with the deflection of the rectangular specimen, with a uniform cross-section, and specimen radius, R, has a marginal effect on this relationship. Furthermore, the deflection of the SCB specimen is higher than that of the rectangular specimen at the same load./p>