Simulation of crack propagation and failure of concrete

Abstract

First of all the heterogeneous structure of concrete is described in terms of a multi-level system. To take different effects of crack propagation and crack arresting into consideration, four different levels have been introduced. Conditions for crack propagation in the porous structure of hardened cement paste and in a matrix with inclusions are studied analytically. By using the derived formulae crack formation and failure of lightweight, normal, and high strength concrete are discussed. Computer experiments are described. It is shown that crack propagation and final degradation of composite structures can be simulated realistically. Finally some supplementing experiments are mentioned. Experimental results are in reasonable agreement with theoretical predictions.

Résumé

La mécanique de rupture classique ne peut pas être appliquée directement à la description du processus de rupture de matériaux composites, comme le béton par exemple. L'étude de la propagation des fissures dans le cas d'un matériau composite offre une alternative prometteuse. Afin de pouvoir traiter de manière analytique les différents mécanismes de propagation et d'arrêts de fissures dans le béton, on a tout d'abord subdivisé la structure en quatre niveaux; une inclusion grossière dans une matrice de mortier caractérise le macroniveau. En revanche, les propriétés caractérisant la pâte de ciment durcie poreuse sont introduites dans le cadre d'un microniveau. Ensuite vient le traitement analytique de la propagation des fissures dans la pâte de ciment durcie et dans le béton. A l'aide de formules dérivées, on peut estimer théoriquement les différences caractéristiques du processus de rupture entre le béton léger, le béton normal et le béton lourd.

On décrit une expérience sur ordinateur. D'abord, on produit des structures aléatoires de différents matériaux dans l'ordinateur. Ensuite, on passe à la simulation de la propagation des fissures sous un poids croissant.

Jusqu'ici, on ne dispose que de résultats isolés qui permettraient une comparaison quantitative avec les résultats des simulations sur ordinateur. C'est pourquoi on a effectué ensuite quelques essais pilotes dont les résultats s'accordent de manière satisfaisante avec les prévisions théoriques. Le concept décrit ici est susceptible d'être traité de manière plus détaillée