Numerical and experimental study of concrete fracture under dynamic loading : doctoral thesis

Poznato je da ponašanje betonskih konstrukcija uvelike ovisi o brzini nanošenja opterećenja. Međutim, poznavanje ponašanja betona uslijed dinamičkog opterećenja i dalje je nepotpuno. Numeričke i eksperimentalne studije pokazuju da s porastom brzine opterećenja dolazi do porasta nosivosti, promjene moda sloma, promjene distribucije pukotina i brzine širenja pukotine, dok način utjecaja brzine opterećenja (deformiranja) na vlačnu čvrstoću i energiju sloma betona još uvijek nije u potpunosti razjašnjen. Prema tome, utjecaj brzine opterećenja na vlačnu čvrstoću i energiju sloma betona je jedna od glavnih tema intenzivnog istraživanja unutar akademske zajednice dugi niz godina. U ovom radu istražuje se slom betona uslijed dinamičkog opterećenja te pojava progresivnog rasta vlačne čvrstoće i energije sloma nakon određene brzine opterećenja dobivena na temelju evaluacije eksperimentalnih podataka. U tu svrhu koristi se i eksperimentalni i numerički pristup. Eksperimentalno istraživanje provedeno na betonskim uzorcima L-oblika izloženim različitim brzinama opterećenja potvrdilo je da brzina nanošenja opterećenja znatno utječe na smjer širenja pukotine. Za kvazi-statičko opterećenje smjer širenja pukotine je horizontalan, odnosno okomit na smjer nanošenja opterećenja, dok povećanjem brzine opterećenja smjer širenja pukotine postaje vertikalan, odnosno paralelan sa smjerom nanošenja opterećenja. Drugi cilj ovog rada je verificirati računalni program temeljen na metodi konačnih elemenata za predviđanje ponašanja betona uslijed dinamičkog opterećenja i tome svojstvenih pojava na osnovu rezultata eksperimentalnog istraživanja. U tu svrhu, provedeni eksperimenti na Luzorcima pri različitim brzinama opterećenja su numerički simulirani. Nadalje, kako bi se razjasnio točan postupak određivanja vlačne čvrstoće i energije sloma pri dinamičkom opterećenju, modelirana je slobodno oslonjena betonska greda sa zarezom izložena udarnom opterećenju čekića, a rezultati numeričke analize uspoređeni s rezultatima mjerenja dostupnim u literaturi. Usporedbom dobivenih numeričkih rezultata s dostupnim eksperimentalnim rezultatima potvrđeno je da korišteni numerički model, temeljen na mehanici kontinuuma, mikroravninskom modelu materijala i metodi konačnih elemenata, realistično opisuje ponašanje betona uslijed dinamičkog opterećenja uključujući i složene pojave svojstvene velikim brzinama opterećenja kao što su promjena nosivosti, promjena moda sloma, pojava račvanja pukotine i promjena brzine širenja pukotine. Na temelju dobivenih rezultata dolazi se do zaključka da je progresivni porast dinamičke vlačne čvrstoće i energije sloma, uočen kod velikih brzina opterećenja, posljedica utjecaja inercije, te se treba tumačiti kao strukturalni efekt a ne kao materijalno svojstvo betona. Prema tome, rezultate mjerenja treba procjenjivati s posebnim oprezom.The behaviour of concrete structures is known to be strongly influenced by the loading rate. However, the knowledge with regards to the response of concrete subjected to dynamic loading is still incomplete. Numerical and experimental studies show that with increase of loading rate there is increase of resistance, change of failure mode, crack pattern and crack propagation velocity, while the influence of the loading (strain) rate on the tensile strength and fracture energy of concrete is not yet fully understood. Therefore, it is one of the major subjects of intensive investigation in the scientific community over many years. The research reported in this thesis is aimed to better understand dynamic fracture behaviour of concrete and the phenomenon of progressive increase of tensile strength and fracture energy, experimentally observed at high loading rates. Both experimental and numerical approaches have been employed in order to achieve the same. The experimental investigation performed on L-specimens subjected to dynamic loading has confirmed that loading rate plays significant role in the crack propagation direction of such concrete structures. For quasi-static load, the crack tends to propagate horizontally, perpendicular to the loading direction, while with increase of the loading rate the crack propagation tends to get vertical, parallel to the loading direction. A second aim of this study is to examine the validity of explicit 3D FE code for predicting the complex phenomena related to dynamic fracture of concrete according to the results of the experimental investigations. To this end, experiments on L-shaped concrete specimens under different loading rates are numerically simulated. Additionally, to clarify the correct evaluation procedure for tensile strength and fracture energy under dynamic loading, the experiments reported in literature on dynamically impacted notched concrete beams are also numerically investigated. The comparison between the results of experiments and numerical analyses show that presented relatively simple modeling approach based on continuum mechanics, rate dependent microplane model and standard finite elements is capable to realistically predict the performance of concrete under dynamic loading including the complex phenomena related to high loading rates such as rate dependent resistance, rate dependent failure mode, crack branching and crack velocity. Finally, it is found that progressive increase in dynamic strength and fracture energy is controlled mainly by inertial effect and it should be interpreted as structural rather than a material property. Therefore, experimental data on dynamic fracture of concrete has to be taken with caution