Experimental analysis of the confined behavior of concrete under static and dynamic shear loading

by Reem Abdul rahman

Doctoral thesis in Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Under the supervision of Pascal Forquin.

Thesis committee President: Ignacio Carol.

Thesis committee members: Jean-Luc Hanus, Christophe Pontiroli, Dominique Saletti.

Examiners: Fabrice Gatuingt, François Toutlemonde.


  • Abstract

    This PhD thesis focuses on studying the confined behavior of concrete under shear loading in static and dynamic conditions. An experimental method based on the Punch-Through Shear (PTS) test is used in order to investigate shear behavior in mode II conditions. The concept of this test is to first subject the specimen to a confining pressure and then an axial loading is applied to punch through the central portion of the core.In order to introduce confinement to the concrete sample prior to testing it under shear, two methods have been used. The first one is an active confinement applied by means of a high capacity triaxial press Giga. The second method consists in confining the sample with a pre-stressed metallic cell instrumented with hoop strain gages in order to evaluate the confinement acting in the ligament of the concrete sample.Samples confined with the pre-stressed cell are subjected to two types of loading; static and dynamic. The static tests are carried out by means of a normal hydraulic press while dynamic shear testing are performed using a modified Split Hopkinson Bar setup which allows to determine the shear response of concrete over a wide range of strain-rates.The results of test campaigns show that the shear strength of the concrete increases significantly with an increase of confining pressure. Furthermore, dry and saturated concrete samples have been tested in order to study the influence of saturation ratio on the shear behavior of concrete. The results show a higher shear strength with dry samples than in wet ones. Moreover, a small influence (compared to what was observed in dynamic tension) of the strain rate was observed. A high performance concrete was also studied to investigate the influence of concrete composition on its shear strength. It was observed that its shear strength strongly exceeds that of the ordinary concrete. The obtained results are compared with data from literature obtained with different experimental methods.

  • Alternative Title

    Etude expérimentale du comportement confiné du béton en cisaillement statique et dynamique


  • Abstract

    L'objectif de cette thèse est de caractériser le comportement confiné en cisaillement du béton sous chargement statique et dynamique. La méthode expérimentale reprend le concept de l'essai 'Punch Through Shear' qui consiste dans un premier temps à soumettre une éprouvette de béton à un chargement radial puis à appliquer au cours d'une deuxième étape un chargement axial qui permet de cisailler la partie centrale de l'échantillon.Deux méthodes ont été utilisées pour appliquer la contrainte de confinement à l'éprouvette avant de la soumettre à un chargement de cisaillement. La première méthode consiste à appliquer une pression hydrostatique via un fluide de confinement. Ces essais sont réalisés avec la presse Giga. La deuxième méthode consiste à utiliser une cellule métallique pré-déformée à l'aide d'une presse hydraulique. Durant le déchargement de la cellule, des contraintes de confinement sont transmises à l'éprouvette de béton. Cette cellule est instrumentée avec des jauges de déformation qui permettent de mesurer le niveau de confinement appliqué au béton.Les éprouvettes de béton confinées avec la cellule sont soumises à deux types de chargement : l'un statique avec une presse hydraulique normale et l'autre dynamique avec un système aux barres de Hopkinson. Cela permet d'étudier le comportement du béton en cisaillement confiné sur une large gamme de vitesse de déformation.Les résultats des campagnes d'essais montrent que la contrainte de cisaillement du béton augmente avec la pression de confinement. D'autre part, des échantillons saturés d'eau et d'autres séchés à l'étuve sont testés afin de vérifier l'influence de la teneur d'eau sur la résistance au cisaillement. Une résistance au cisaillement des échantillons de béton R30A7 sec supérieure à celle des échantillons saturés est observée sur la plage de déformation considérée. Une influence modeste de la vitesse de déformation en comparaison de ce qui est observé sous chargement en traction dynamique a été remarquée. De plus, un béton haute performance a été testé pour étudier l'influence de la composition du béton sur sa résistance au cisaillement. Il a été observé que la résistance au cisaillement du béton haute performance dépasse fortement celle du béton ordinaire. Les résultats obtenus sont comparés à ceux de la littérature, pour lesquelles des méthodes expérimentales différentes avaient été utilisées.


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