An Innovative Experiment for Air Pressure Measurements in Crack Models Representative of Real Cracks in Concrete

Assessing fluid leakage rates through cracks in concrete structures is essential in many fields (nuclear safety, fluid storage, durability of structures). In previous works, the authors proposed experimental setups and procedures to study water and air leakage through cracked concrete specimens under Brazilian loading conditions. In the present contribution, the previous setup for air leakage is adapted to measure fluid pressure inside a so-called “realistic” crack representative of an actual crack surface geometry. The specimen is made by precisely casting a concrete crack surface. The procedure allows to realize it in two blocks (upper and lower) separable along this reproduced surface. The lower block is drilled with four thin cylindrical holes opening into the crack and which, once the specimen is installed on the press, are connected to pressure sensors. The specimen is inserted into an airflow circuit, and particular attention is paid to avoiding parasite leaks. Different inlet/outlet pressure conditions combined with different crack openings are imposed. Two different crack surface geometries are tested: plane and realistic. The results show non-linear air pressure distributions inside the realistic crack and non-negligible head losses at the inlet and outlet sections of the flow. Consequently, additional non-linear effects appear in the relationship between mass flow rate and squared pressure gradient due to the geometry of the realistic crack. These results demonstrate that measuring only the pressures in the upstream and downstream reservoirs, as classically done in standard protocols from the literature, can lead to a misinterpretation of the experimental results

Critical analysis of an experimental setup to estimate gas permeability through an active crack

International audienceExperimental protocols to study the transmissivity (to fluids) of localized cracks in concrete samples are often based on the use of a Brazilian test. According to the protocol proposed by Rastiello et al. (2014, 2018) for water flows, and extended to air flows by Tailhan et al. (2018), such a test is coupled with a specific measurement setup to assess fluid flow properties under loading. The splitting load, which generates the localized macrocrack, is indirectly controlled by the measurement of the mean diametrical sample expansion. The plane faces of the sample stand thus available for positioning the upstream and downstream flow chambers, in which pressures are controlled. The induced fluid flow is then measured and put into relation with imposed pressures and crack geometrical properties. However, fluid mechanics arguments suggest that considering the pressures in the downstream/upstream chambers could lead to a wrong characterization of the crack transfer properties. For that reason, the present contribution proposes a more in-depth investigation of the characteristics of the experimental setup itself. The development of an “idealized” version of the air permeability test allows for replacing the real crack by a “plane crack” equipped with additional internal pressure sensors. These additional measurements show that pressures acting at the inlet/outlet crack sections can be very different from those controlled in the chambers due to localized head losses. Moreover, knowing the real pressure drop within the crack leads to interpret experimental results more accurately

An experimental test for gas pressure measurement within a realistic crack in concrete

Evaluating fluid leakage rates through cracks in concrete structures is essential in many fields (nuclear safety, fluid storage structures, durability of structures subjected to environmental conditions). In previous works, the authors proposed experimental procedures to study the water (Rastiello et al., 2014, 2018) and air (Tailhan et al., 2018) leakage processes through cracking concrete samples under Brazilian loading conditions. In a recent work, Tailhan et al. (2020) proposed a critical analysis of their own air permeability experimental setup considering an idealized parallel-plate system equipped with additional pressure sensors inside the crack. They showed that calibrating air flow models based on this experimental setup (and, more generally, experimental setups using “large” pressurized vessels placed upstream/downstream of the cracked sample) requires the knowledge of the pressure distribution inside the crack and that simply knowing the pressures inside the upstream and downstream chambers can lead to a misinterpretation of experimental results. In the present paper, a similar experiment is performed on a so-called “realistic crack” (i.e., representative of a crack surface in a split concrete block) molded in room-temperature-vulcanizing silicone equipped with internal pressure sensors. The results obtained show that knowing the real pressures at the inlet and outlet sections of the crack is even more important than in the case of the parallel-plate channel. Indeed, in that case, additional non-linear effects are observed in the mass flow-rate vs. square pressure gradient relation due to the geometry of the crack. Moreover, the crack geometry strongly affects the pressure drops measures at the inlet and outlet crack sections. These results clearly illustrate that attention has to be paid to interpreting experimental results on real cracks in concrete in the absence of pressure measures inside the crack. To the best of the authors’ knowledge, no experimental setups of this kind exist

Simulations numériques du comportement au jeune âge des structures en béton : Modélisation et retour d'expérience

Une bonne maîtrise du comportement au jeune âge des bétons est l'assurance de garantir le succès de la réalisation d'un chantier de Génie Civil. Des outils numériques d'aide à la prise de décision dans les phases cruciales de la conception et de la réalisation des structures en béton existent. Ce document est une succincte présentation d'un modèle simple de simulation numérique du comportement thermomécanique du béton au jeune âge. Il donne accès aux champs de température et de contraintes qui se développent dès les premières heures de bétonnage dans les structures et permet de procéder à une analyse des risques de fissuration. Un exemple d'utilisation industrielle de cet outil est proposé

Un essai expérimental de mesure de pressions dans une fissure « réaliste » représentative d'une fissure dans une éprouvette en béton

International audienceÉvaluer des débits de fuite de fluides à travers les fissures des ouvrages en béton est essentiel dans de nombreux domaines (sûreté nucléaire, stockage de fluides, durabilité des ouvrages). Dans des travaux antérieurs, les auteurs ont proposé des procédures expérimentales pour étudier et mesurer les fuites d'eau et d'air à travers des échantillons de béton fissurés dans les conditions de chargement d'un essai brésilien. Dans un travail récent, les auteurs ont proposé une analyse critique de leur propre configuration expérimentale de perméabilité à l'air en considérant un système de plaques parallèles idéalisées équipé de capteurs de pression à l'intérieur de la fissure. Ils ont montré que la calibration des modèles d'écoulement d'air nécessite la connaissance de la répartition des pressions à l'intérieur de la fissure et que la seule mesure des pressions dans les réservoirs amont et aval peut conduire à une mauvaise interprétation des résultats expérimentaux. Dans le présent article, une expérience similaire est réalisée sur une fissure dite « réaliste », c'est-à-dire représentative d'une géométrie de surface defissure réelle. L'échantillon est constitué de deux blocs initialement solidaires. Le bloc inférieur est obtenu par un moulage précis d'une demi-éprouvette de fendage en béton. La surface de fissure moulée est ensuite légèrement graissée et le bloc est percé de quatre trous cylindriques de 2 mm de diamètre pour la mesure des pressions. Le bloc supérieur est coulé directement sur le bloc inférieur. Le matériau utilisé est un plâtre-résine blanc extra-fin. Ce matériau ainsi que la fine couche de graisse permettentune séparation parfaite des deux blocs le long de la fissure réaliste. L'ensemble s'adapte sur le dispositif expérimental déjà existant. Les résultats obtenus montrent que la connaissance des pressions réelles aux sections d'entrée et de sortie de la fissure est encore plus importante que dans le cas du canal à plaques parallèles. Des effets non linéaires supplémentaires sont observés dans la relation entre le débit massique et le gradient de pression au carré en raison de la géométrie de la fissure. De plus, la géométrie de la fissure affecte fortement les mesures de pertes de charge aux sections d'entrée et de sortie. Ces résultats illustrent bien qu'il faut être attentif à l'interprétation des résultats expérimentaux sur des fissures réelles dans le béton en l'absence de mesures de pression à l'intérieur de la fissure. À la connaissance des auteurs, il n'existe pas de dispositifs expérimentaux de ce type

Micro-macro modeling of concrete

The objective of this paper is to provide a macroscopic model capable of bridging the gap between the local description of the mechanisms at the material level and the global response at the structural level, i.e. a model which is capable of properly describing the global structural answer and which provides information on the local response

Experimental and Numerical Strategy for the Determination of Mechanical Properties Related to Human Cortical Bone Fracture

ICTAEM 2020, Proceedings of the Third International Conference on Theoretical, Applied and Experimental Mechanics , Athenes, GRECE, 14-/06/2020 - 17/06/2020The paper presents an experimental test of macrocrack propagation in bones associated with a numerical strategy to determine from this test some mechanical properties by inverse identification. A 3 point bending test is performed on a notched segment of long human bone, and the load vs notch opening displacement is measured. The compliance method is applied in the context of a realistic FE simulation of the test. A first application of this methodology is described and shows its feasibility and capabilities. The ultimate objective of this research project is to develop a probabilistic modelling of the macrocracking processes in human long bone tissues based on an experimental database of mechanical parameters fed up by this methodology

Real time monitoring of concrete resistivity in cracking concrete

Cracks are almost inevitable in a heterogeneous material such as concrete. However their presence weakens the porous matrix resistance and constitutes a preferential flow path for fluid, gas and pollutants : material durability is therefore seriously affected. This paper deals with the feasibility of transfer properties measurement tests during the post-peak cracking phase of concrete. A proper description of the evolution of these properties should be monitored in real-time as cracks open in the specimen. In this work, attention is focused on the mechanical test and the geometrical characterization of the cracks by means of a displacement measurement system together with a digital image correlation technique. The mechanical test is then enhanced in order to establish a real-time relation between the evolution of the electrical resistance and the crack width opening in a saturated concrete sample. The experimental results show that the electrical resistance is constant before the peak (when no crack is observed) and decreases only when the peak of load is reached and when a crack is initiated. No threshold value and no phase shift between the crack opening and the resistance evolution have been observed, even in the case of a breathing crack. The evolution of the conductance has then been modeled by taking into account the (simplified) morphology of the crack and assuming a constant value for the electrolyte conductivity. The model and the experimental conductance through a traversing crack have proved to be in good agreement

Probabilistic numerical modelling of cracking in steel fibre reinforced concretes (SFRC) structures

In this paper, an improvement to the probabilistic discrete cracking model of fibre reinforced concretes, developed in the past by Pierre Rossi, is proposed. In this new model: - Cracks creation and propagation in the concrete are taken into account by using special interface elements. These interface elements open when the normal tensile stress at their centre of gravity reaches a critical value. The probabilistic aspect of the cracking process is given by the fact that the critical value of the tensile stress is randomly distributed through the mesh elements. - Immediately after the creation of cracks, the fibres bridging effect is then taken into account in a damage model approach. The probabilistic aspect consists of randomly distributing the post-cracking energy. The improved numerical model is used to analyze the shear behaviour of a steel fibre reinforced concrete beam. The numerical simulations are compared with the experimental results in terms of the beam's global behaviour and the cracking process (number of cracks, spacing and opening). The numerical and experimental results agree well

Propagation de fissure sur tronçon d'os long rainuré

International audienceUn essai de propagation d’une macrofissure dans un tronçon d’os cortical humain est développé dans l’objectif de comprendre les mécanismes de rupture du tissu à cette échelle et d’identifier des propriétés de rupture, prérequis indispensables à une modélisation ultérieure. Une première campagne d’essais a été réalisée sur des segments de diaphyses fémorales entaillés soumis à une flexion trois points [1, 2]. Toutefois, l’orientation de la macrofissure est influencée par l’anisotropie du matériau. Afin d’orienter les processus de rupture dans la direction transversale uniquement, une modification de la procédure d’essai est proposée. Inspirée de travaux bibliographiques [3, 4], les tronçons entaillés sont préalablement rainurés : une gorge hémisphérique est usinée sur la surface externe de l’os afin de guider la fissure dans la direction transversale au niveau de l’entaille. Les précautions prises pour la réalisation de l’essai de flexion trois points garantissent une maîtrise de la procédure de test malgré la variabilité géométrique des spécimens : positionnement et conditions d’appuis des échantillons, alignement des supports du capteur d’ouverture d’entaille, positionnement et hauteur de l’entaille, profondeur uniforme de la gorge. Le vérin est piloté indirectement par l’ouverture d’entaille, via un capteur de déplacement inductif. Une série de cycles de déchargements/rechargements est mise en œuvre afin de suivre les évolutions des quantités résiduelles, de l’endommagement pré-pic et de la propagation de macrofissure en post-pic. Les résultats obtenus sont exprimés en termes de courbes d’effort en fonction de l’ouverture d’entaille. L’exploitation des cycles de charges-décharges ainsi que des ouvertures résiduelles permettent de mettre en évidence le rôle primordial de la fissuration dans les mécanismes de rupture. Les résultats montrent que l’ouverture résiduelle est directement liée au niveau d’affaiblissement structurel, conséquence des processus de fissuration, et qu’aucun mécanisme de plasticité n’est visible à cette échelle. L’analyse de ces cycles permet également d’émettre une hypothèse sur le rôle de contraintes internes résiduelles sur les déformations permanentes. Les résultats montrent également que la rainure permet de guider parfaitement la macrofissure dans la direction transversale et la comparaison avec les résultats sur tronçons non-rainurés montrent bien l’impact de cette modification géométrique du spécimen. En perspective future, cet essai sera utilisé pour l’identification par analyse inverse de propriétés mécaniques dans la direction transversale