بررسی خستگی در سازه فولادی و بتنی بر اثر بارگذاری های تکراری

پدیده خستگی در سازه (Fatigue) چیست؟

همان طور که می دانید سازه ها تحت شرایط متفاوتی دچار شکست و یا آسیب دیدگی می شوند که یکی ازین عوامل خستگی در سازه است اما آیا بارگذاری خستگی تحت فشار، بارگذاری درستی است؟ آیا شکست خستگی در سازه های شکل پذیر هم اتفاق می افتد؟ و بسیاری از سوالات دیگر…

در این مقاله جامع ابتدا مفهوم خستگی را بررسی خواهیم کرد و سپس به موارد مهم تری مانند ازمون خستگی در سازه، بارگذاری خستگی، شکست خستگی، عوامل موثر بر عمر خستگی و … می پردازیم.

⌛ آخرین به‌روزرسانی: 23 شهریور 1401

📕 تغییرات به‌روزرسانی: تغییر براساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش سال 1401

 

1. یادآوری از درس مقاومت مصالح

همانطور که از درس مقاومت مصالح به یاد دارید، برای یافتن خواص مکانیکی بسیاری از مواد از نمودار تنش-کرنش استفاده می‌کنند. هر ماده‌ای، نمودار تنش-کرنش مخصوصی دارد. برای رسم نمودار تنش-کرنش، نیرو را (فقط یک‌بار) به‌صورت تدریجی وارد می‌کنند و آن‌قدر افزایش می‌دهند تا در انتهای آزمون، نمونه دچار شکست شود. در این حالت، به دلیل تدریجی بودن اعمال نیرو، زمان کافی برای گسترش کرنش در ماده وجود دارد. به این نوع بارگذاری، بارگذاری استاتیکی می‌گوییم. مقدار بارهای استاتیکی (مانند بارهای مرده و زنده در سازه‌های ساختمانی) در سازه‌ها معمولاً با دقت خوبی قابل تخمین هستند. نمودار تنش-کرنش فولاد کم‌کربن و آلومینیوم، مطابق شکل زیر است:

 

اما بررسی‌ها و آزمایش‌های دقیق عضوهای سازه‌ها، نشان می‌دهد تنش بیشینه‌ای که سبب شکست المان می‌شود، در بسیاری از شرایط از استحکام تسلیم (σ_y) ماده کم‌تر است! به نظر شما، دلیل این پدیده چیست؟!

2. آزمایش خستگی در مقاومت مصالح

یک میله فرضی با طول L و مساحت A، به‌عنوان نمونه آزمایش، مانند زیر در نظر بگیرید. آن را تحت یک نیروی محوری قرار می‌دهیم تا به مقدار تنش بیشینه مثلاً σ=P/A برسیم:

 

 

همان‌طور که می‌دانید اگر تنش بیشینه σ در این نمونه، از حد الاستیک یا ارتجاعی آن ماده فراتر نرود (σ<σ_y)، پس‌ازآن که بار اعمالی را از روی نمونه برداریم، نمونه به شرایط اولیه خود (قبل از اعمال بار) بازمی‌گردد (تغییر شکل‌هایش از بین می‌رود). با این مثال ممکن است این‌طور نتیجه‌گیری کنید که اگر بارگذاری، بارها تکرار شود بازهم تنش σ در بازه الاستیک باقی می‌ماند. جالب است بدانید این نتیجه‌گیری هنگامی‌که بارگذاری ده‌ها بار یا صدها بار تکرار شود صحیح است. اما اگر بارگذاری و باربرداری، هزاران بار یا میلیون‌ها بار تکرار شود این نتیجه‌گیری صحیح نیست! در این شرایط، گسیختگی در تنشی کمتر از مقاومت گسیختگی (σ_u) رخ می‌دهد. محققان، این پدیده را خستگی نامیده‌اند. همچنین، تنشی که در تعداد مشخصی از تکرار بارگذاری، نمونه در آن گسیخته می‌شود، استحکام خستگی (Fatigue Strength) و تعداد تکرار سیکل‌های تنشی که قطعه طی می‌کند تا به شکست برسد، عمر خستگی (Fatigue Life) نامیده می‌شود.

3. پدیده خستگی در سازه چیست؟

سازه ‌های فولادی و بتنی  در گذشت زمان به دلیل بارهای وارد شده بر آن‌ ها ممکن است دچار خرابی شوند. یکی از آسیب ‌های جدی وارد شده در طول زمان به سازه­ های فولادی و بتنی پدیده خستگی است. مطابق با توضیحاتی که در قسمت قبل گفته شد، پدیده خستگی زمانی در سازه رخ می­دهد که، بارهای وارده به سازه به صورت متناوب و تکراری وارد شوند. به طور مثال سازه ای که از زمان ساخت آن مدت طولانی می­گذرد، ممکن است طی اعمال بارگذاری های متناوب دچار پدیده خستگی شود.

 

4. بارگذاری خستگی

پدیده خستگی فلزات، متداول‌ تر بوده و بیشتر  مورد توجه‌ قرار می‌گیرد. گفتیم که خستگی در فلزات وقتی اتفاق می‌افتد که فلز تحت تنش تکرار شونده یا نوسانی قرار گیرد. بنابراین لازم است پدیده خستگی در طراحی تمامی سازه‌ هایی که تحت اثر بارهای تکرار شونده و رفت برگشتی (نوسانی) قرار دارند، لحاظ شود و این وظیفه‌ی یک مهندس است که تمام جزئیات یک عضو را به‌گونه‌ ای طراحی کند تا لنگر، برش و نیروی محوری اعمال‌ شده در آن عضو در هر تکرار بارگذاری، از محدوده‌ های مجاز آیین‌ نامه‌ ای فراتر نرود و تنش‌ هایی در آن اعمال نشود تا خستگی در سازه را گسترش دهد.

تعداد تکرارهای بارگذاری‌ ای که ممکن است در طول عمر مفید المان‌ های سازه‌ ای اتفاق بیافتد بسیار متفاوت است. به‌ طور مثال تیری که برای تکیه‌ گاه یک جرثقیل صنعتی استفاده می‌شود، ممکن است در طول 25 سال عمر مفیدش، دو میلیون بار بارگذاری شود (حدود 300 بارگذاری در طول هفته)، و یا هر تیغه‌ی یک توربین، ممکن است چند میلیارد بار در طول عمر خود بارگذاری شود!!

به طور کلی اگر بخواهیم خستگی در سازه را تقسیم بندی کنیم؛ 3 دسته اصلی خواهد داشت که شامل خستگی کم چرخه، خستگی چرخه زیاد، و خستگی چرخه بسیار زیاد؛ در شکل زیر محور افقی نشان دهنده تعداد بارگذاری ها و بار برداری هاست که همانطور که بیان شد به سه قسمت تقسیم شده است. برای هریک از انواع خستگی مثال هایی زده شده است که در شکب زیر قابل مشاهده است.

5. حالات بارگذاری تکرار شونده

به‌ طور کلی، بارگذاری‌ های تکرار شونده به ۳ حالت تقسیم‌ می‌شوند که این حالت‌ها در نمودارهای تنش برحسب زمان (در شکل زیر) مشاهده می‌شوند، در ادامه هریک ازین حالت ها را توضیح خواهیم داد:

 

حالت 1، چرخه تنش کاملاً معکوس را نشان می‌دهد. این چرخه، ‌یک حالت ایده آل است. همان‌طور که مشاهده می‌شود، در این نوع چرخه‌ی تنش، تنش‌های حداکثر و حداقل برابرند اما یکی از نوع کششی و دیگری از نوع فشاری است.

حالت 2، یک چرخه تنش تکراری را نشان می‌دهد که در آن تنش حداکثر و حداقل باهم برابر نیستند اما هردو از یک نوع تنش‌اند؛ یا هر دو کششی و یا هردو فشاری هستند. به‌طورکلی، یک چرخه تکراری می‌تواند شامل تنش‌های کششی و فشاری، فقط تنش‌های فشاری و یا فقط تنش کششی باشد. در این نمودار هر دو تنش، کششی هستند.

در آزمایش‌های خستگی مواد، تنش‌های اعمال‌شده نباید هر دو به‌صورت فشاری باشند زیرا تنش‌های فشاری باعث بسته شدن ترک‌ها می‌شود. بنابراین شکست رخ نمی‌دهد. پس حداقل باید یکی از تنش‌ها کششی باشد.

حالت 3، چرخه تنش مرکبی را نشان می‌دهد که در قطعه‌ای مانند بال هواپیما به وجود می‌آید و در اثر تندباد، تحت بارهای دوره‌ای غیرقابل‌پیش‌بینی، قرار می‌گیرد.

❓بدترین نوع بارگذاری چیست؟!

بدترین نوع بارگذاری خستگی، بارگذاری کاملاً معکوس نام دارد. در یک چرخه از این نوع بارگذاری، یک تنش کششی به جسم اعمال می‌شود و از صفر به مقدار ماکزیمم خود می‌رسد و دوباره به‌تدریج صفر می‌شود، سپس تنشی برابر با همان مقدار ولی به‌صورت فشاری اعمال می‌شود تا به مقدار ماکزیمم خود برسد و سپس به‌تدریج صفر می‌گردد و این چرخه همین‌طور تکرار می‌شود … .

6. فرایند خستگی در سازه

آزمایش‌ ها بر روی سازه‌ هایی که در اثر خستگی گسیخته شده‌اند، نشان می‌دهد که گسیختگیِ خستگی ممکن است از هر ترک میکروسکوپی یا نقصی در ماده، شروع شود. در هر بارگذاری‌ که اعمال می‌شود، ترک به مقداری بسیار کمی بزرگ‌تر می‌شود. در هنگام بارگذاری‌های متوالی، ترک در ماده انتشار می‌یابد و تا جایی گسترش می‌یابد که مقداری از ماده که بدون آسیب باقی‌مانده است، برای تحمل تنش کافی نبوده و یک شکست ناگهانی رخ می‌دهد.

پس به‌ طور خلاصه، فرآیند خستگی در سازه به صورت زیر است:

1.6. شروع ترک

در اثر بارهای تکرار شونده، ترک‌های ریز در قطعه شروع به جوانه زدن می‌کنند. محل شروع ترک در جسم، در نواحی ناپیوستگی‌ها و محل‌هایی است که تمرکز تنش در آنجا وجود دارد.

 

 

2.6. رشد ترک

در این مرحله ترک در جهت عمود برجهت اعمال تنش رشد می‌کند و ادامه می‌یابد.

 

 

3.6. شکست نهایی

در این مرحله وقتی رشد ترک زیاد می‌شود، تمرکز تنش بسیار بالا می‌رود و باعث تغییر شکل پلاستیک در ماده و شکست آن می‌شود.

 

 

7. شکست خستگی در سازه

شکست ناشی از خستگی در سازه، حتی برای موادی که به‌ صورت طبیعی شکل‌پذیر هستند (مثل فولاد و آلومینیوم)، ماهیت ترد دارد و خیلی سریع و بدون هشدار قبلی اتفاق می‌افتد! به همین دلیل، سطح مقطع شکست در این حالت، شبیه شکست ترد، عمود بر راستای تنش کششی اصلی و بدون تغییر شکل پلاستیکی (تغییر شکل پسماند یا باقی‌مانده ناشی از جاری شدن فلز) در آن است.

❓چگونه می‌توان شکست خستگی در سازه را تشخیص داد؟

شکست در اثر خستگی را می‌توان به‌ راحتی از روی سطح مقطع شکست تشخیص داد. سطح مقطع این نوع  شکست، از دو قسمت تشکیل‌ می‌شود: قسمت اول سطع مقطع منطقه ای صاف است که ترک در آن منطقه انتشار یافته است (صاف شدن این منطقه براثر حرکت نسبی دو سطح ترک (سایش) و تکرار زیاد بارگذاری است) و قسمت دیگر سطح مقطع ناحیه‌ای که شکست سریع در آنجا اتفاق می‌افتد.

وقتی‌که ترک به‌ اندازه‌ای رشد پیدا کند که جسم، تحمل بارگذاری را نداشته باشد، شکست به‌ سرعت در قسمت باقی‌ مانده سطح گسترش می‌یابد و گسیخته می‌شود. این شکست، دو ویژگی مهم دارد که به‌ راحتی می‌توان شکست در اثر خستگی را از دیگر انواع شکست‌ها، تشخیص داد.

1-سطح شکست دارای ظاهری بلورین مانند شکست اجسام ترد است.

2-معمولاً شکست در نقطه وجود تمرکز تنش، مانند یک‌گوشه تیز یا شیار، نمایان می‌شود.

 

 

8. آزمون خستگی

در آزمایشگاه برای تعیین عمر خستگی یک ماده از روش بارگذاری کاملاً معکوس استفاده می‌شود. متداول‌ ترین وسیله آزمون خستگی، دستگاه محور چرخان پر سرعت است.

1.8. نحوه انجام آزمون تست خستگی

به‌ منظور به دست آوردن استحکامِ خستگیِ نمونه‌ هایی از ماده مورد نظر، که همگی به‌ صورت استاندارد دارای یک‌ شکل، سطح مقطع دایره‌ای، ابعاد مشخص‌ شده، بدون عیب و با شرایط یکسان باشند، را انتخاب می‌کنیم.

با اعمال بار (به‌ صورت خمشی) به نمونه‌‌ی نصب شده بر روی دستگاه، در سطح بالایی نمونه، بلافاصله تنش کششی و در سطح زیری تنش فشاری ایجاد می‌شود. بعد از اینکه نمونه توسط موتور چرخنده، نیم دور (180 درجه) چرخید، محلی که ابتدا تحت تأثیر تنش کششی قرار گرفته بود، اکنون تحت تنش فشاری قرار می‌گیرد. بنابراین تنش در هر نقطه‌ای از نمونه به‌صورت دور تناوب سینوسیِ کامل، تغییر می‌کند.

 

 

 

همان‌طور که قبلاً بیان شد، این تنش می‌تواند بین دو مقدار حداکثر و حداقل در حالت‌های مختلفی از کشش یا فشار تغییر کند:

• در حالت اول، تغییرات بارگذاری می‌تواند به‌گونه‌ای باشد که تنش اعمالی بین دو مقدار تنش (کششی) و تنش (فشاری) تغییر کند.
• در حالت دوم، تغییرات تنش می‌تواند به صورتی باشد که حداکثر تنش در موقعیت فشاری کمتر از حداکثر تنش کششی باشد.
• در حالت‌ سوم بارگذاری می‌تواند به‌گونه‌ای باشد که مقدار تنش بین حداکثر و حداقلی در موقعیت کششی یا فشاری تغییر کند (حالت متغیر).

 

 حداکثر تنش اعمال‌ شده به نمونه آزمایش خستگی، به نیروی وارد شده ناشی از وزنه، طول نمونه و قطر نمونه وابسته است.

2.8. نمودار خستگی

بعد از تعداد دور معینی، شکست خستگی در نمونه ظاهر می‌شود. سپس مقادیر به‌دست‌آمده برای تنش و تعداد دور تا لحظه شکست را در یک سیستم محورهای مختصات که محور قائم نشانگر تنش و محور افقی نشانگر تعداد دور (محور افقی بر مبنای لگاریتمی) می‌باشند، مشخص می‌کنیم. آزمایش فوق را برای سایر نمونه‌ها تحت تنش‌های گوناگون ( σ₃ ,σ₂ ,σ₁ )  تکرار کرده و تمام نتایج را در یک دستگاه مختصات ترسیم می‌کنیم و در نهایت بهترین نمودار گذرنده از آن رسم می‌شود. این نمودار، نمودار S-N) Sigma-N) نامیده می‌شود. در شکل زیر، یک منحنی S-N مشاهده می‌شود:

 

در این آزمایش، تعداد دورهایی که ماده قبل از شکست تحمل می‌کند، به‌ عنوان عمر خستگی در سازه (Fatigue Life) و تنش چرخه‌ای که به ازای آن ماده بتواند ۱۰ میلیون چرخه بارگذاری (10⁷cycles)  را تحمل کند، به‌ عنوان حد استحکام (Endurance Limit)  ماده گزارش می‌شود. حد استحکام، تنشی است که در آن تنش، حتی برای تعداد نامحدودی از بارگذاری‌ها، شکست اتفاق نمی‌افتد. یعنی اگر تنش بیشینه شما، برابر با تنش حد استحکام باشد، هرچقدر که سیکل‌های بارگذاری را تکرار کنید، نمونه دچار شکست خستگی نمی‌شود.

در شکل زیر، یک منحنی S-N (تنش-تعداد سیکل) برای فولاد نشان داده‌ شده است. 2 نکته مهم را می‌توان از این منحنی استخراج کرد:

• مشاهده می‌کنید که اگر تنش اعمالی بیشینه زیاد باشد با تعداد کمی از سیکل‌های بارگذاری، گسیختگی اتفاق می‌افتد.
• هرچقدر مقدار بیشینه تنش، کاهش می‌یابد، تعداد سیکل‌های بارگذاری که منجر به شکست می‌شود، افزایش می‌یابد تا زمانی که تنش به مقدار مشخصی به نام حد استحکام (Endurance Limit) می‌رسد. برای فولاد کم‌کربن (مثل فولاد ساختمانی متداول) حد استحکام تقریباً نیمی از مقاومت نهایی فولاد است.

 

9. خستگی در سایر مواد

موادی مانند بتن،مس، آلومنیوم، پلیمر ها و … نیز مانند فولاد، در اثر خستگی از کار می‌افتند.منحنی S-N برای فلزاتِ بدونِ آهن مثل آلومینیوم، مطابق شکل بالا، نشان می‌دهد که تنش گسیخته شدن با افزایش تعداد سیکل‌های بارگذاری کاهش می‌یابد. اما چنین فلزاتی، حد استحکام خستگی از خود نشان نمی‌دهند. در این حالت، حد استحکام را با در نظر گرفتن تنش متناظر جاری شدن تعداد مشخصی از سیکل‌های بارگذاری (به‌ طور مثال 10 میلیون بار) مشخص می‌کنند (یعنی مثلاً تنش بیشینه‌ای که با 10 میلیون بار، سیکل بارگذاری تحت آن گسیخته می‌شود، به‌ عنوان حد استحکام آن ماده در نظر می‌گیرند).

پدیده خستگی در سازه های بتنی نیز مطرح می‌باشد. به نظر می‌آید بحث خستگی در بتن بحرانی‌تر باشد! چون بتن از اجزای جدا از هم زیادی تشکیل شده است که همواره احتمال این وجود دارد که این اجزا، هنگام اختلاط به خوبی به هم متصل نشده باشند. نفوذ هوا در حین اختلاط نامناسب بتن، ویبره نامناسب و غیراصولی و همچنین عدم چسبندگی کافی میلگردها به بتن، دلایلی می‌باشند که ممکن است سبب ایجاد ترک‌های میکروسکوپی در المان بتنی شده و وقوع پدیده‌ی خستگی را تسریع می‌نمایند.

10. عوامل تأثیرگذار بر عمر خستگی

عوامل بسیار زیادی وجود دارد که بر رفتار ماده یا قطعه در شرایطی که منجر به شکست خستگی می‌شوند، مؤثر هستند که در ادامه با آن‌ها آشنا می‌شویم:

 

1.10. مقدار و نوع تنش

هرچه مقدار تنش متوسطی که به عضو دارد وارد می‌شود، بیشتر باشد، زودتر خسته می‌شود و عمر خستگی در سازه را کاهش می‌یابد. علاوه بر مقدار، نوع تنش هم مهم است. مثلاً استحکام خستگی جسمی که تحت تأثیر چرخه‌های تنش پیچشی قرار دارد از استحکام خستگی همان جسم که تحت تنش نرمال (عمودی) قرار دارد، کمتر خواهد بود (یعنی زودتر خسته می‌شود) علاوه بر آن وقتی‌که یک ترک خستگی به وجود می‌آید، شدت گسترش آن بستگی به تنش‌های کششی و تنش‌های فشاری دارد. چون کشش تمایل به باز کردن دهانه ترک، و فشار تمایل به کاهش رشد آن دارد.

2.10. آهنگ بارگذاری تکرارشونده

در بسیاری از موارد آهنگ بارگذاری تأثیری بر عمر خستگی ندارد (حداقل تا بسامدهای ۱۵۰ هرتز (نوسان بر ثانیه) چنین تأثیری وجود ندارد). در بسامدهای بالاتر، استحکام خستگی به مقدار کمی افزایش نشان می‌دهد، ولی برای بسامدهای بسیار بالا (تا ۱۵۰۰۰ هرتز)، حد استقامت خستگی تا حدود ۱۰ درصد افزایش خواهد داشت (دیرتر خسته می‌شوند)

3.10. شرایط سطح المان و عیب‌های سطحی

شرایط سطح یک قطعه تأثیر زیادی بر عمر خستگی آن دارد. همان‌طور که قبلاً هم بیان شد، آزمایش‌ها نشان می‌دهند که گسیختگی خستگی ممکن است از هر ترک میکروسکوپی یا نقصی در ماده، شروع شود. بنابراین شرایط سطحی المان سازه‌ای تأثیر مهمی بر روی حد استحکام به‌دست‌آمده از بارگذاری دارد.

زبری سطح یا وجود خراش‌هایی بر روی آن، می‌توانند محل‌هایی برای تمرکز تنش باشند. چون خستگی، حساسیت زیادی به افزایش تنش دارد و هر افزایشی در تنش، باعث می‌شود خستگی در سازه سریع‌تر اتفاق بیفتد.

حد استحکام برای نمونه‌های صاف و جلا داده‌شده بالاتر از نمونه‌های نورد شده و یا نمونه‌های خورده شده است. البته اثر خراش‌های سطحی یا هر عیب دیگر، برای تمام موارد یکسان نیست. فلزات نرم‌تر در مقایسه با فلزات ترد، حساسیت کمتری نسبت به عیب‌های سطحی دارند.

4.10. آثار محیط

اگر شرایط لازم برای ایجاد خوردگی وجود داشته باشد، نه‌تنها مقاومت خستگی به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌یابد بلکه آهنگ خوردگی نیز افزایش خواهد یافت. بعضی از مواد مثل برخی از فولادها، در محیط‌های خورنده حد استحکام خستگی ندارند (مثل آلومینیوم و مس) و حتی هنگامی‌که سطح تنش بسیار پایین است، امکان دارد شکست به‌طور ناگهانی اتفاق بیفتد.

همچنین هرچه دمای محیط کمتر باشد، استحکام خستگی افزایش می‌یابد. دلیل این موضوع، انقباض جسم و بسته شدن برخی ترک‌های میکروسکوپی است.

11. عوامل کاهنده اثرات خستگی در سازه

با شناخت عوامل تاثیر گذار بر عمر خستگی (عوامل بالا) می‌توان خستگی در سازه‌ها راکاهش داد اما برخی راهکارهای عملی دیگر نیز برای این کار وجود دارند

یکی از این راهکارها، کوبیدن سطح فلز است. عمر خستگی یک قطعه فلزی را می‌توانیم با کوبیدن سطح آن افزایش دهیم!

 گویا با مشت‌و مال دادن فلزات هم، می‌توانیم خستگی را از تن آن‌ها به در کنیم!

این عمل، باعث می‌شود تنش‌های پسماند فشاری در برخی لایه‌های سطحی ایجاد شده و درنتیجه از ایجاد ترک‌های خستگی جلوگیری کرده یا آن را به تأخیر می‌اندازد. عملیات دیگری مانند عملیات سخت کردن سطحی (کربن‌دهی، نیتروژن دهی) و یا ایجاد بعضی پوشش‌های الکتریکی بر روی سطح باعث ایجاد تنش‌های فشاری در لایه‌های سطحی می‌شود و درنتیجه، می‌تواند باعث تأخیر خستگی در عضو شوند.

 

 

12. خستگی سازه در آیین‌ نامه‌ های طراحی

پدیده خستگی در سازه تحت بارگذاری‌های تکرارشونده، از اهمیت بالایی برخوردار است و لازم است در طراحی اجزای سازه‌ها به آن توجه ویژه‌ای شود. در ردیف 3 از جدول 10-1-2-1 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، کنترل گسیختگی به علت خستگی، یکی از معیارهای لازم جهت طراحی حالات حدی مقاومت ذکر شده است.

 

 

مطابق توضیحات زیر همین جدول، آیین‌نامه بیان می‌کند در مواردی که سازه تحت اثر بارگذاری تکرارشونده قرار دارد، اعضا و اتصالات سازه باید به نحوی طراحی شوند که در مقابل خستگی مقاومت نمایند. برای طراحی این‌گونه سازه‌ها ضوابط آئین‌نامه‌های معتبر بین‌المللی ملاک عمل خواهد بود. یعنی مبحث دهم در مبحث خستگی، مهندسان را به آیین‌نامه‌های بین‌المللی از قبیل AISC 360 و AWS ارجاع می‌دهد.

  آیین‌ نامه‌ های بین‌المللی و مبحث دهم، بیان می‌دارند که در طراحی اعضا و اتصالات مربوط به سیستم‌های مقاوم جانبی در ساختمان‌های متداول فولادی مشمول مبحث دهم، برای اثر های ناشی از نیرو های جانبی زلزله و باد، لزومی به بررسی پدیده خستگی در سازه نیست.

بند 10-2-3 مبحث دهم نیز بیان می‌کند در طراحی اعضای کششی که تحت اثر پدیده خستگی قرار می‌گیرند، باید به نحو مؤثری، اثرات این پدیده لحاظ شود.

در پیوست 3 آیین‌نامه‌ی AISC 360-16، به بررسی ضوابط مربوط به طراحی اعضا و اتصالات فولادی تحت خستگی پرداخته شده است یعنی اعضایی که تحت اثر بارهای الاستیک تکرارشونده قرار دارند و تحت تنش‌هایی هستند که باعث ایجاد ترک و پیشروی آن در عضو مورد نظر می‌شود. همچنین اشاره شده است که تعیین مقاومت خستگی اعضا، زمانی اهمیت دارد که سیکل تکرار بارهای زنده به بیش از 2 میلیون بار برسد. به‌ منظور یک طراحی ایمن در برابر خستگی، حداکثر تنش اعمال‌ شده به عضو در هر تکرار بارگذاری نباید از 0.66Fy  فراتر برود.

آیین‌نامه‌های بین‌المللی با استفاده از روابطی که برای اتصالات پیچی و جوشی مختلف ارائه داده‌اند، محدوده تنش مجاز برای هر نوع اتصال را محاسبه می‌کنند و طراحی را بر اساس آن تنش‌ها انجام می‌دهند.

13. خستگی در سازه های فولادی

قبلاً اشاره شد که نقاط با تمرکز تنش از پتانسیل بالایی برای خستگی برخوردارند و نقاطی بحرانی برای شروع و گسترش ترک خستگی و درنهایت شکست هستند. یکی از مهم‌ترین نقاط تمرکز تنش در سازه‌های فولادی، جوش‌ها و اتصالات پیچی هستند. اتصالات وظیفه‌ی انتقال تنش‌ها از عضوی به عضو دیگر را دارند و هرگونه آسیب در آن‌ها، بسیار خطرناک است و عملکرد و بهره‌وری سازه را با ابهام همراه می‌کند. از این‌ رو تحلیل خستگی در اتصالات فولادی، اهمیت دوچندانی دارد.

در اعضایی که ناپیوستگی‌ هایی مثل جوش و پیچ وجود ندارد، روند شکل‌گیری ترک‌های میکروسکوپی آهسته است و مدتی طول می‌کشد تا ابتدا ترک‌ها ایجادشده و سپس رشد کنند اما در اتصالات پیچی و جوش‌ها، همیشه ناپیوستگی‌های ریز و درشت وجود دارد و عملاً مرحله ایجاد ترک وجود ندارد (ترک‌های ریز همواره وجود دارند!) و به همین دلیل، عمر خستگی کمتری دارند و زودتر خسته می‌شوند.

 

 

 

1.13. عوامل موثر بر خستگی در اتصالات جوشی

1.1.13. شکل اتصال:

در تحلیل خستگی اتصالات، هندسه و شکل اتصال از مهم‌ترین فاکتورهاست. هرچه هندسه اتصال پیچیده‌تر شود، استحکام خستگی کاهش می‌یابد.

2.1.13. عیوب جوش:

عیوب جوش مانند هم‌راستا نبودن اتصال جوش، نفوذ ناقص، ترک، ذوب ناقص، تخلخلی و …، بر روی خستگی در سازه‌های جوشی مؤثرند. معمولاً هنگام جوشکاری، گازهای مختلفی مثل هیدروژن و اکسیژن و گازهای نجیب، در اثر حرارت در فلز پایه و الکترود نفوذ می‌کنند و باعث تخلخل در محل جوش می‌شود و باعث کاهش عمر خستگی می‌شود. در بند 10-2-9-2-1 مبحث دهم نیز، اشاره شده است که استفاده از جوش شیاری با نفوذ نسبی در شرایطی که بارگذاری‌های متناوب در اثر خستگی وجود دارند، مجاز نیست.

 

3.1.13. تنش‌ های پسماند:

تنش‌های پسماند اثر قابل‌توجهی بر استحکام خستگی در سازه‌های جوش داده‌ شده دارند و به‌خوبی مشخص گردیده است که تنش‌های پسماند کششی اثر منفی بر خستگی دارند، درحالی‌که تنش‌های پسماند فشاری دارای تأثیر مطلوب بر خستگی‌اند. تنش‌های پسماند جوشکاری، می‌تواند احتمال شکست خستگی را افزایش دهد. بنابراین از بین بردن یا لااقل کاهش تنش‌های پسماند کششی، برای جلوگیری از شکست اتصال جوش داده‌شده، ضروری است.

4.1.13. نوع ماده:

رفتار خستگی به میزان زیادی تحت تأثیر نوع ماده است. به‌ عنوان‌ مثال، استحکام خستگی سازه عضو ساخته‌شده از آلیاژهای آلومینیومی، در حدود 2.5 برابر کمتر از یک عضو فولادی است.

5.1.13. عملیات حرارتی بعد از جوشکاری:

عملیات حرارتی پس از جوشکاری برای از بین بردن تنش‌های پسماند (تنش‌ زدایی) استفاده می‌شود. در این عملیات، بسته به ضخامت و جنس عضو اتصال داده‌شده، آن را تا دمای مناسب گرم می‌کنند و پس از مدتی آن را به‌تدریج سرد می‌کنند. این عملیات، ترک‌ها و تخلخل‌های قبل از جوشکاری را بهبود داده و باعث می‌شود عمر خستگی افزایش پیدا کند.

6.1.13. اثر محیط:

سازه‌های مهندسی به‌ طور کلی در معرض هوا، آب و یا آب‌های شور هستند. به‌ عنوان‌ مثال، آب‌های شور دریا و ترکیبات خورنده موجود در آن در سازه‌های ساحلی و رطوبت شدید هوا باعث کاهش عمر خستگی می‌شوند

7.1.13. روند جوشکاری:

روش جوشکاری غلط و غیراصولی، منجر به تمرکز تنش و ایجاد عیوب زیادی در جوش می‌شود و درنتیجه موجب جوانه‌ زنی و گسترش ترک‌های خستگی می‌شود.

برای بهبود اتصالات جوشکاری شده راهکارهای مختلفی وجود دارد که بهبود جوش، کیفیت بالای ساخت و طراحی مناسب، از مهم‌ترین فاکتورها محسوب می‌شوند. به شکل گرافیکی زیر توجه نمایید:

 

14. خستگی در سازه اسکلت بتنی

به طور معمول مهندسان سازه خستگی را برای فولاد مورد بررسی قرار می دهند؛ اما این پدیده در بتن هم ممکن است رخ دهد. نگرانی در مورد خستگی بتن، در سازه های مهم مانند پل هوایی و سازه های وابسته، رو به افزایش است. در پل های بتنی در سطح شهر که رفت و آمد در آن زیاد است، به دلیل اعمال بارهای متناوب و رفت و برگشتی ، امکان ایجاد پدیده خستگی وجود دارد. به طور کلی خستگی و شکست بتن یک پدیده نادر است، و شکست سازه های بتنی در دسته پدیده های معمول نیست.

1.14. خستگی بتن چیست؟

فرض کنید نمونه بتنی در اختیار داریم که تحت اعمال بارگذاری و باربرداری به صورت متناوب می باشد. پس از هربار باربرداری، مقدار زیادی کرنش پسماند، در بتن باقی می ماند. این موضوع باعث می شود که، مقاومت بتن در بارگذاری بعدی کاهش یابد. با تداوم عملیات بارگذاری و باربرداری، کرنش های بیشتری در بتن باقی مانده، و درنهایت مقاومت خود را کاملاً از دست می دهد. و تحت حداکثر بار وارده، شکسته می شود. این پدیده بیانگر مقاومت خستگی بتن پس از اعمال بارهای سیکلی می باشد. منحنی تنش _ کرنش این پدیده به صورت شکل زیر است:

 

15. تفاوت خزش و خستگی

به تغییر شکل های دائم مصالح با گذشت زمان تحت تنش یک نیروی ثابت خزش می گویند. دما، زمان، تنش و ترکیب آلیاژ از عواملی هستند که باعث شروع و پیشرفت خزش در مواد می شوند. به عبارتی میتوان گفت که وقتی مصالح تحت بارهای ثابت قرار میگیرند طی گذشت زمان تغییر شکل های درازمدت در آن ها ایجاد می شود. حد خزش به اندازه مقاوت مواد در برابر خزش می گویند در واقع حد خزش یعنی آن که به بالاترین تنشی که برای مدت طولانی در یک درجه حرارت معین به یک ماده میتوان وارد کرد که سرعت خزش از یک مقدار مشخضی عبور نکند.

 

به عنوان مثال خزش بتن در طولانی مدت باعث ایجاد اعوجاج عرشه پل بر اثر شکم دادگی بین دو تکیه گاه میشود.

 

 

مطابق با مطالب ذکر شده و همچنین تعریف خستگی در قسمت های قبل، میتوان اصلی ترین تفاوت بین خزش و خستگی را نحوه وارد شدن بار به مصالح دانست که در خزش بار به صورت ثابت و در دراز مدت وارد میشود، اما خستگی در اثر اعمال بارهای متناوب و تکراری در سازه ایجاد میشود. همچنین خستگی در سازه های فولادی، وخزش در سازه های بتنی بیشتر مورد بررسی قرار می گیرد.

16. چرا تجزیه‌ و تحلیل خستگی در سازه مهم است؟!

• شکست خستگی نتیجه‌ی تعداد زیادی از چرخه‌های بارگذاری با تنش کم تا متوسط در طی یک دوره طولانی است که در نهایت موجب شکستگی مواد و در نهایت شکست سازه می‌شود.
• بارگذاری که سبب ایجاد خستگی در المان شود، منجر به ترک‌ خوردگی و درنهایت فرو ریزش و شکست می‌شود دلیل این امر این است که سازه به‌ احتمال‌ زیاد قبل از رسیدن به نقطه تسلیم، دچار شکست می‌شود. یعنی با وجود اینکه سازه همچنان در محدوده‌ی الاستیک قرار دارد، بازهم یک تهدید جانی برای ساکنان به شمار می‌رود. اثر این پدیده در ساختمان‌های قدیمی، می‌تو‌اند بسیار قابل‌ توجه باشد.
• طراحی سازه برای مقاومت، شکل‌پذیری، پاسخ دینامیکی و همچنین سرویس‌دهی، پایه و اساس تمامی طراحی‌ها محسوب می‌شود؛ و نکته‌ی مشترک میان تمامی موارد ذکر شده، این است که هیچ تجزیه ‌و تحلیلی برای مقاومت اعضا در برابر خستگی صورت نمی‌گیرد؛ این در حالی است که یک سازه می‌تواند با تمام اصول اساسیِ طراحیِ سازه سازگار باشد اما بازهم در اثر خستگی دچار خرابی‌های شدید شود. لازم به ذکر است که افزایش مقاومت، لزوماً به افزایش مقاومت در برابر خستگی منجر نمی‌شود.

برای بسیاری از مهندسان سازه، موضوع تجزیه‌ و تحلیل خستگی به چندین کنترل ساده بر اساس راهنمای سازه‌های فولادی AISC خلاصه می‌شود که بیان می‌کند، کمتر از 2 میلیون چرخه‌ی بارگذاری مشکلی را به وجود نمی‌آورد. بنابراین مهندسین سازه، هرگز برای شناخت اثرات خستگی و شکستگی مکانیکی، به‌ جز در مواردی اندک، مانند تأثیر زلزله‌های شدید بر جوش‌های اتصالات قاب خمشی، آموزش دیگری نمی‌بینند.

با افزایش اهمیت و همچنین کاربرد‌های مختلف سازه‌ها ، امروزه شاهد گسترش احداث ساختمان‌ها، پل‌ها و اعضای زیر ساختی جدید با در نظر گرفتن اثرات خستگی هستیم، مهندسان سازه متوجه شده‌اند که موضوع خستگی فراتر از یک مبحث ساده در کتب درسی بوده و دارای پیامدهای بسیار جدی در ملاحظات بلندمدت سازه می‌باشد. بسیاری از سازه‌ها بیش از 50  سال از عمرشان می‌گذرد  و نشانه‌های شدید پوسیدگی و ترک‌خوردگی طولانی‌مدت در آن‌ها مشاهده شده است. این پدیده به‌ ویژه در پل‌های فولادی و بتنی که در آن ترک‌‌ها و  پوسیدگی‌ها ایمنی این شریان حیاتی را تهدید می‌کنند، از اهمیت دوچندانی برخوردار است. بنابراین لازم است تا مهندسین سعی بر آشنایی هر چه بیشتر با این پدیده نمایند، تا طراحی‌ها و همچنین تصمیم‌گیری‌های خود را با آگاهی از تمامی نکاتِ تاثیرگذار انجام دهند.

نتیجه گیری

همانطور که متن مقاله بیان شد پدیده خستگی در اثر بارهای متناوب ایجاد شده و یکی از پدیده‌ های تخریب ‌کننده انواع سازه‌ های بتنی و فلزی است. عمر سازه نیز وابسته به عمر خستگی مصالح به کار رفته در آن می باشد، که هر چه عمر خستگی مصالح بالاتر رود، عمر سازه بیشتر می شود. چنانچه در هنگام طراحی بررسی های کافی برای تشخیص میزان مقاومت اعضا در برابر پدیده خستگی صورت نگیرد، سازه مورد نظر دچار خرابی ‌های ناشی از خستگی خواهد شد.

منابع

1. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1401
2. آیین‌نامه‌ی AISC360 ویرایش سال 2016 آمریکا
3. Mechanics Of Material, 6^th, Beer & Johnston

• مطلبی میخواهید که نیست ؟ از ما بپرسید تا برایتان محتوا رایگان تولید کنیم!

• ارسال سوال برای تولید محتوا