Assessing fracture behavior of concrete utilizing a new direct tensile setup

Tensile behavior is one of the most important properties of concrete and plays a significant role in its durability and service life, alongside other critical factors. The direct-tension test is recognized as the most straightforward solution to measure the complete tension behavior of concrete, though the softening material entails tricky issues concerning the axial and flexural stability of the test. Several solutions have been proposed to improve the flexural stiffness of the test rig, thereby enhancing both axial and flexural stability. However, these improvements may introduce other problems such as parasitic shear stress, which can affect the test results. To address these technical issues, a compact frameless testing system "3ACTION" was devised, where three actuators symmetrically arranged around the sample push the top of the sample up directly through a removable cross-head. The samples could be installed or removed separately by bolting glued steel blocks. To verify the reliability of the innovative test setup "3ACTION" and to comprehensively study the tensile properties of different High-performance concrete and Normal-strength concrete, nearly one hundred concrete specimens were subjected to tensile tests with "3ACTION". Then the results were comparatively analyzed to draw general conclusions about the tensile behavior of different concretes. To investigate the effects of key variables on concrete tension, several simulations were conducted using the commercial software ABAQUS. These variables included the length of specimens, end constraints, and material properties. Additionally, two models were developed to replicate real tensile experiments and to validate the accuracy of the "3ACTION" method. All model parameters were derived directly from experimental data. The simulation outcomes were then comparatively analyzed with each other and each of them is compared with the experimental results, leading to new insights into concrete tension behavior.

Il comportamento a trazione e una delle proprietà piu importanti del calcestruzzo e gioca un ruolo significativo nella sua durabilità e vita utile, insieme ad altri fattori critici. La prova di trazione diretta è riconosciuta come la soluzione più semplice per misurare l’intero comportamento a trazione del calcestruzzo, anche se il comportamento “softening” del materiale comporta problemi di stabilità assiale e flessionale della prova. In letteratura sono state proposte diverse soluzioni per migliorare la rigidezza flessionale dei dispositivi di prova, aumentando la stabilità assiale e flessionale. Tuttavia, questi miglioramenti possono introdurre sollecitazioni di taglio parassite, che possono influenzare i risultati delle prove. Per risolvere questi problemi tecnici, è stato ideato il sistema di prova compatto e privo di telaio di carico “3ACTION”, in cui tre attuatori disposti simmetricamente intorno al campione spingono la sua parte superiore verso l’alto attraverso una trasversa rimovibile. I campioni possono essere installati o rimossi imbullonando blocchi di acciaio a cui vengono precedentemente incollati. Per verificare l’affidabilità di questo sistema di prova innovativo e studiare in modo esaustivo le proprietà di trazione di diversi calcestruzzi di normale resistenza e ad alte prestazioni, sono state svolte un totale di circa cento prove. Inoltre, per studiare gli effetti delle variabili chiave sul comportamento a trazione del calcestruzzo, sono state condotte diverse simulazioni utilizzando il software commerciale ABAQUS, indagando variabili come la lunghezza dei provini, i vincoli di estremità e le proprietà dei materiali. Sono stati sviluppati due modelli per replicare gli esperimenti di trazione reali e per convalidare l’accuratezza del metodo “3ACTION”. Tutti i parametri del modello sono stati ricavati direttamente dai dati sperimentali. I risultati delle simulazioni sono stati poi analizzati in modo comparativo tra loro e ciascuno di essi è stato confrontato con i risultati sperimentali, portando a nuove conoscenze sul comportamento a trazione del calcestruzzo.