Studio numerico e validazione sperimentale dell'effetto dimensionale di semilisci e semifessurati

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7570 (2023) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Il campione di piegatura semicircolare (SCB) con bordi fessurati sottoposto a carico di flessione su tre punti viene utilizzato in molte applicazioni per misurare il comportamento alla frattura di materiali quasi fragili. L'obiettivo principale del presente lavoro era studiare l'effetto del rapporto tra la lunghezza della fessura e il raggio del provino SCB (a/R), il rapporto tra la lunghezza della fessura e il diametro del provino (S/D) e la dimensione del provino sul comportamento di crescita della fessura a flessione e in modalità I. . Il metodo dell'integrale del contorno è stato implementato utilizzando il metodo degli elementi finiti 3D per determinare il fattore di intensità dello stress modo I. Inoltre, sono stati studiati sperimentalmente provini di calcestruzzo ad alta resistenza per validare i risultati numerici. I risultati mostrano che la massima sollecitazione di compressione non è sensibile al valore S/D, mentre la sollecitazione di trazione è molto sensibile. Il valore di S/D è il parametro principale che controlla la forza motrice della cricca (ovvero, lo spostamento di apertura della bocca della cricca (CMOD) e il fattore di intensità dello stress normalizzato, YI). Per lo stesso S/D, la variazione del valore del diametro del provino SCB ha un effetto marginale su CMOD e YI. Il campione con S/D = 0,8 ha dimostrato di essere il campione più compatibile con le condizioni di test di flessione a tre punti, indipendentemente dalle dimensioni del campione SCB. È stato raggiunto un buon accordo tra i risultati numerici e sperimentali.

Il campione di piega semicircolare (SCB) con fessura sui bordi sottoposto a carico di flessione su tre punti viene utilizzato per misurare il comportamento alla frattura del materiale di materiali rocciosi, calcestruzzo, miscele di asfalto e biomateriali1,2,3,4,5. Il vantaggio principale dell'utilizzo del campione SCB è che può essere facilmente prelevato da carote di qualsiasi materiale6. Inoltre, dispone di una geometria semplice e di una procedura di prova per il calcolo della tenacità alla frattura in modalità mista I–II7,8,9. Arsalan et al.10 hanno recentemente migliorato il campione SCB per ottenere un comportamento di frattura in modalità mista di un adesivo duttile con una zona di processo di frattura considerevole davanti all'apice della cricca. Il SIF in modalità mista è una funzione del rapporto della lunghezza della cricca a/R. Il suo orientamento riguarda la direzione del carico e la distanza tra i supporti11,12, come mostrato in Fig. 1. La lunghezza della fessura sembra essere un fattore più significativo rispetto allo spessore del provino sul SIF13. Inoltre, i SIF diventano molto sensibili ai valori del rapporto tra lunghezza della fessura e raggio del campione SCB (a/R)8.

Geometria e condizioni di carico dei provini SCB.

Inoltre, Lim et al.14 hanno studiato l'effetto di a/R, rapporto tra campata e diametro del provino (S/D) e orientamento della fessura sul SIF dei provini SCB sottoposti a test di flessione a tre punti. Hanno visto che il SIF di modo II diventa sempre più dominante quando la lunghezza della campata del supporto viene ridotta o quando l’angolo e la lunghezza della fessura vengono aumentati. Hanno concluso che il SIF non è così sensibile alle variazioni nella geometria del campione SCB a una fessura di lunghezza ridotta. Adamson et al.15 hanno utilizzato un metodo basato sulla funzione peso per prevedere un SIF e un CMOD di SCB. Inoltre, Aliha et al.16 hanno utilizzato il campione SCB con bordi fessurati prodotto da calcestruzzi polimerici rinforzati con fibra di vetro tagliata sotto un test di flessione a tre punti per valutare la resistenza alla frattura. Inoltre, hanno utilizzato il campione SCB non fessurato per ottenere la resistenza alla trazione. Il campo di stress attorno all'apice della cricca è solitamente basato sui SIF, sulla crescita della cricca e sul coefficiente del primo termine non singolare17,18. La tenacità alla frattura può essere determinata dagli stati di sollecitazione critici o dall'energia vicino all'apice della cricca, come richiesto per l'innesco di una frattura fragile19,20. Pertanto, è necessario il calcolo dello stress critico e della resistenza alla frattura.

Molti ricercatori21,22,23,24,25,26,27,28 hanno valutato diversi campioni di prova per misurare la reale resistenza alla frattura di diversi materiali fragili. Inoltre, molti di loro hanno studiato gli effetti della dimensione del disco provino sul comportamento della frattura, come Aliha et al.24, che hanno studiato gli effetti della geometria e della dimensione dei campioni SCB e del disco circolare sulle traiettorie di frattura nella roccia calcarea sottoposta a carico in modalità mista. . Inoltre, Abd-Elhady22 ha studiato l'effetto dello spessore del campione SCB sui SIF I/II in modalità mista. La sollecitazione di flessione e la deflessione dei provini SCB fessurati sui bordi soggetti a carico di flessione su tre punti sono stati considerati i principali fattori responsabili della propagazione delle cricche nei provini. Stewart et al.6 hanno confrontato gli standard dei test di frattura SCB e di tensione compatta del disco (DCT)29,30,31,32 per le miscele asfalto-aggregato. Hanno scoperto che i test SCB misurano una bassa resistenza alla frattura con un alto coefficiente di variazione, mentre il test DCT misura la resistenza alla frattura con un basso coefficiente di variazione. Al contrario, Yang et al.11 hanno confrontato tre diversi tipi di campioni di tipo con piega a tre punti (vale a dire, provini con trave dentellata a bordo singolo (SENB), piega con disco con intaglio sul bordo (ENBD) e campioni SCB) per misurare la tenacità alla frattura di miscela di asfalto. I campioni SENB hanno mostrato la tenacità alla frattura più bassa, mentre i campioni ENBD hanno mostrato la più alta. Bažant e i suoi colleghi28 hanno affermato che il progresso nei codici di progettazione e nella pratica di questi materiali è stato ritardato dalle prolungate controversie sulla corretta forma matematica e sulla giustificazione della legge dell’effetto dimensionale. Le dimensioni dei provini SCB standard29,30,31 sono 150 mm di diametro e il rapporto tra lo spessore del provino e il suo raggio (B/R) = 1/3. Inoltre, S/D = 0,8 e 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>