صفحه اصلی  »  مقالات  »  بارگذاری سازه ها  »  بررسی خستگی در سازه های فولادی و بتنی بر اثر بارگذاری های تکراری

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

پدیده خستگی در سازه 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.

 

با مطالعه این مقاله چه می آموزید؟

 

مفهوم خستگی در سازه و تعارف اولیه

همان‌ طور 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 آن‌ قدر 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 سازه‌ ها معمولاً با دقت خوبی قابل تخمین هستند. نمودار تنش-کرنش فولاد کم‌کربن و آلومینیوم، مطابق شکل زیر است:

 

منحنی تنش کرنش فولاد و آلومینیوم برای به دست آوردن خصوصیات ماده

شکل1- منحنی تنش-کرنش فولاد و آلومینیوم

 

اما بررسی‌ها و آزمایش‌های دقیق عضوهای سازه‌ ها، نشان می‌ دهد تنش بیشینه‌ ای که سبب شکست المان می‌شود، در بسیاری از شرایط از استحکام تسلیم ( σy) ماده کم‌ تر است! به نظر شما، دلیل این پدیده چیست؟!

مفهوم خستگی در سازه

یک میله فرضی با طول L و مساحت A، به‌ عنوان 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:

تغییر شکل و ایجاد تنش در میله فلزی بر اثر نیروی P

شکل2- تغییر شکل میله فلزی تحت نیروی p

 

همان‌ طور که می‌دانید اگر تنش بیشینه σ در این نمونه، از حد الاستیک یا ارتجاعی آن ماده فراتر نرود (σ < σy)، پس‌ از آن که بار اعمالی را از روی نمونه برداریم، نمونه به شرایط اولیه خود (قبل از اعمال بار) باز می‌گردد (تغییر شکل‌ هایش از بین می‌رود). با این مثال ممکن است این‌ طور نتیجه‌ گیری کنید که اگر بارگذاری، بارها تکرار شود بازهم تنش σ در بازه الاستیک باقی می‌ماند. جالب است بدانید این نتیجه‌ گیری هنگامی‌ که بارگذاری ده‌ها بار یا صدها بار تکرار شود صحیح است. اما اگر بارگذاری و باربرداری، هزاران بار یا میلیون‌ ها بار تکرار شود این نتیجه‌ گیری صحیح نیست! در این شرایط، گسیختگی در تنشی کمتر از مقاومت گسیختگی (σu) 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.

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.

انواع خستگی در سازه های فولادی

شکل3- مقایسه تعداد تکرار بارگذاری در طول عمر مفید برخی سازه‌ ها

 بدترین نوع بارگذاری خستگی در سازه چیست؟!

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:

بارگذاری خستگی در سه حالت متفاوت بر اساس منحنی S-N

شکل4- حالت‌های مختلف بارگذاری خستگی

 

 

حالت 1، چرخه تنش کاملاً معکوس را نشان می‌دهد. این چرخه، ‌یک حالت ایده آل است. همان‌ طور که مشاهده می‌شود، در این نوع چرخه‌ی تنش، تنش‌ های حداکثر و حداقل برابرند اما یکی از نوع کششی و دیگری از نوع فشاری است در واقع بدترین نوع بارگذاری خستگی در سازه، 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 به‌ تدریج صفر می‌شود، سپس تنشی برابر با همان مقدار ولی به‌صورت فشاری اعمال می‌شود تا به مقدار ماکزیمم خود برسد و سپس به‌ تدریج صفر می‌گردد و این چرخه همین‌ طور تکرار می‌شود … .

حالت 2، یک چرخه تنش تکراری را نشان می‌دهد که در آن تنش حداکثر و حداقل باهم برابر نیستند اما هر دو از یک نوع یک 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 آزمایش‌ های خستگی مواد، تنش‌ های اعمال‌ شده نباید هر دو به‌ صورت فشاری باشند زیرا تنش‌ های فشاری باعث بسته شدن ترک‌ها می‌شود. بنابراین شکست رخ نمی‌دهد. پس حداقل باید یکی از تنش‌ ها کششی باشد.

حالت 3، چرخه تنش مرکبی را نشان می‌دهد که در قطعه‌ای مانند بال هواپیما به وجود می‌آید و در اثر تند باد، تحت بارهای دوره‌ ای غیر قابل‌ پیش‌ بینی، قرار می‌گیرد.

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:

۱- 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.

۲- رشد ترک

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

۳- 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.

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.

 

سطح مقطع شکست خورده در اثر خستگی در سازه

شکل5- قسمت‌ های مختلف شکست خستگی

 

 

خستگی در سازه های فولادی

شکل6- خستگی در یک قطعه فولادی

 

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.

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.

 

آزمون خستگی در سازه فولادی

شکل7- دستگاه آزمون تست خستگی (محور چرخان)

 

نمونه مورد استفاده در آزمون خستگی سازه فولادی

شکل8-  شماتیک و ابعاد نمونه مورد استفاده در آزمون محور چرخان

 

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.

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 ( σ321 )  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:

منحنی S-N مربوط به خستگی در سازه

شکل9- یک نمونه منحنی S-N

 

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.

 

منحنی S-N فولاد کم‌کربن و آلومینیوم

شکل10- منحنی S-N فولاد کم‌کربن و آلومینیوم

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.

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:

الف) 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.

ب) 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)

ج) 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.

د) 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.

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.

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.

 

معرفی خستگی در سازه به عنوان یکی از معیار های حالت حدی طراحی

 

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.

خستگی در اتصالات 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.

 

خستگی در سازه های فولادی

شکل12- خستگی در اتصالات جوشی

 

شکست خستگی در پیچ های سازه

شکل13- شکست خستگی در پیچ‌ها

 

عوامل موثر بر خستگی در اتصالات جوشی

1-شکل اتصال:

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

2-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.

 

عوامل موثر بر عمر خستگی در اتصالات جوشی سازه های فولادی

3-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-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-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-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-روند جوشکاری:

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:

 

عومل موثر بر عمر خستگی در اتصالات جوشی

شکل14- فاکتورهای کمک‌ کننده به افزایش استحکام خستگی اتصالات جوشی

 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.

 

منابع

  1. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 92
  2. آیین‌نامه‌ی AISC360 ویرایش سال 2016 آمریکا
  3. Mechanics Of Material, 6th, Beer & Johnston
خرید لينک هاي دانلود

دانلود رایگان اعضای ویژه

دانلود رایگان این آموزش و ده ها آموزش تخصصی دیگر به ازای پرداخت فقط 29 هزار تومان (+ اطلاعات بیشتر)

خرید با اعتبار سایت به ازای پرداخت فقط 1 هزار تومان

دانلود و ذخیره فقط همین آموزش ( + عضو شوید و یا وارد شوید !)

دانلود سریع و بدون نیاز به عضویت به ازای پرداخت فقط 1 هزار تومان

پیش از همه باخبر شوید!

تعداد علاقه‌مندانی که تاکنون عضو خبرنامه ما شده‌اند: 11,561 نفر

تفاوت اصلی خبرنامه ایمیلی سبزسازه با سایر خبرنامه ها نوآورانه و بروز بودن آن است ، ما تنها تازه ترین های آموزشی ، تخفیف ها و جشنواره ها و ... مورد علاقه شما را هر هفته به ایمیل تان ارسال می کنیم

نگران نباشید، ما هم مثل شما از ایمیل های تبلیغاتی متنفریم ، خاطر شما را نخواهیم آزرد!

تولید کنندگان آموزش
ارسال نظرات
نظرات کاربران
  1. افشین

    سلام ممنون از مقاله خوبتون یه سوال داشتم فرایندی مثل upset کردن ارماتور برای رزوه و سپس اتصال بوسیله کوپلر تنش پسماند ایجاد می شود و این تنش چه تاثیراتی بر خستگی دارد؟

    پاسخ دهید

  2. سید محمدجواد هاشمی

    باسلام
    ممنون از نظر لطف شما
    وصله کردن آرماتورها به وسیله کوپلر باعث ایجاد تنش های پسماند کششی میشه و بنابراین یکی از نقاطی است که استعداد گسیختگی خستگی را دارد

    پاسخ دهید

  3. mohsensaz116@gmail.com

    خیلی خوب بود ولی بهتر ازینم میتونست باشه

    پاسخ دهید

  4. سعید کاویان‌پور

    سلام. ممنون از نظر ارزنده شما.
    خوشحال میشیم بخشهایی که باعث بهتر شدن مقاله میشه رو بفرمایید تا اضافه کنیم.

    پاسخ دهید

فقط کافیست ایمیلتان را وارد کنید

در کمتر از 5 ثانیه اطلاعاتتان را وارد کنید و 3 ایبوک طراحی سازه بتنی در ایتبس را به همراه هدیه ویژه آن در ایمیلتان دریافت کنید
برایم ایمیل شود
نگران نباشید ایمیل های مزاحم نمی فرستیم
close-link