صفحه اصلی  »  مبانی و مفاهیم عمرانی  »  بررسی خستگی در سازه فولادی و بتنی بر اثر بارگذاری های تکراری (آپدیت 1403)

بررسی خستگی در سازه فولادی و بتنی بر اثر بارگذاری های تکراری (آپدیت 1403)

پدیده خستگی در سازه (Fatigue) چیست؟

خستگی یکی از پدیده‌های مکانیکی مهم در سازه‌های فولادی و بتنی است که تحت بارگذاری‌های تکراری رخ می‌دهد و با گذشت زمان، باعث کاهش استحکام و ایجاد شکست‌های ناگهانی می‌شود. سازه‌های تحت بارهای دینامیکی مانند پل‌ها و ساختمان‌های بلند، بیشتر در معرض این اثرات مخرب هستند. در فولاد به‌دلیل حساسیت به خستگی و ایجاد ترک، طراحی و تحلیل دقیق‌تر ضروری است. همچنین، بتن با وجود مقاومت در برابر فشار، در برابر بارگذاری‌های تکراری آسیب‌پذیر است که این امر می‌تواند عمر سازه را کاهش دهد. 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 آزمون خستگی در سازه، بارگذاری خستگی، شکست خستگی، عوامل موثر بر عمر خستگی و … می پردازیم.

 

⌛ آخرین به‌روزرسانی: 9 آبان 1403

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

 

با مطالعه این مقاله چه می آموزید؟

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:

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

شکل 1- منحنی تنش-کرنش فولاد و آلومینیوم

 

اما بررسی‌ها و آزمایش‌های دقیق عضوهای سازه‌ها، نشان می‌دهد تنش بیشینه‌ای که سبب شکست المان می‌شود، در بسیاری از شرایط از استحکام تسلیم (σy) 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:

 

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

شکل2- تغییر شکل میله فلزی تحت نیروی p

 

همان‌طور که می‌دانید اگر تنش بیشینه σ در این نمونه، از حد الاستیک یا ارتجاعی آن ماده فراتر نرود (σ<σy)، 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 (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.

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.

 

فتیگ چیست

شکل 3- خرابی پل بر اثر خستگی

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.

 

انواع خستگی در سازه های فولادی

شکل 4- مقایسه تعداد تکرار بارگذاری در طول عمر مفید برخی سازه‌ ها

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:

 

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

شکل 5- حالت‌های مختلف بارگذاری

 

-حالت (a)، چرخه تنش کاملاً معکوس: این نوع چرخه، تنش به طور متناوب بین یک مقدار حداکثر مثبت و یک مقدار حداقل منفی با قدرمطلق برابر نوسان می‌کند. به عبارت دیگر، تنش متوسط صفر است. در این حالت دامنه تنش ∣σa∣‌ برابر با دامنه حداکثر تنش ∣σmax∣ و برابر با دامنه حداقل تنش ∣σmin∣ است و تنش متوسط ∣σm∣ صفر است.

نمودار: یک نمودار سینوسی متقارن نسبت به محور افقی.
اهمیت: این ساده‌ترین نوع چرخه تنش است و اغلب به عنوان یک حالت پایه برای تحلیل‌های خستگی استفاده می‌شود.

حالت (b)، چرخه تنش کششی-فشاری نیمه معکوس: در این نوع چرخه، دامنه حداکثر تنش (کششی) بزرگ‌تر از دامنه حداقل تنش (فشاری) است و تنش متوسط مثبت است.

m∣ > ∣σmin∣ , ∣σm∣ > 0

نمودار: یک نمودار سینوسی نامتقارن نسبت به محور افقی که بیشترین نوسان در قسمت مثبت محور تنش رخ می‌دهد.
اهمیت: این نوع چرخه در بسیاری از کاربردهای مهندسی، مانند محورهای تحت بارگذاری خمشی، مشاهده می‌شود.

حالت (c)، تنش پالس‌دار: در این نوع چرخه، تنش از یک مقدار حداکثر مثبت به صفر کاهش می‌یابد و سپس دوباره به مقدار حداکثر می‌رسد. به عبارت دیگر، حداقل تنش صفر است و تنش متوسط برابر با نصف حداکثر تنش است.

minmax=0 ,σmam/2)

نمودار: یک نمودار سینوسی نامتقارن نسبت به محور افقی که بیشترین نوسان در قسمت مثبت محور تنش رخ می‌دهد.
اهمیت: این نوع چرخه در بسیاری از کاربردهای مهندسی، مانند محورهای تحت بارگذاری خمشی، مشاهده می‌شود.

 

-حالت (d)، چرخه تنش پالس‌دار کششی-کششی: در این نوع چرخه، همه تنش‌ها مثبت هستند و تنش از یک مقدار حداکثر به یک مقدار حداقل مثبت کاهش می‌یابد و سپس دوباره به مقدار حداکثر می‌رسد.

 

  • نمودار: یک نمودار پله‌ای که در قسمت مثبت محور تنش قرار دارد.
  • اهمیت: این نوع چرخه در مواردی که فقط تنش‌های کششی اعمال می‌شود، مانند سیم‌های تحت کشش، مشاهده می‌شود.

 

-حالت (e)، چرخه تنش نامنظم یا تصادفی:  در این نوع چرخه، تغییرات تنش به صورت تصادفی و غیرقابل پیش‌بینی است.

 

  • نمودار: یک نمودار نامنظم که در آن تنش به صورت تصادفی نوسان می‌کند.
  • اهمیت: این نوع چرخه در مواردی که بارگذاری تحت تأثیر عوامل تصادفی مانند باد، زلزله یا ارتعاشات تصادفی است، مشاهده می‌شود.

 

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

 

❓بدترین نوع بارگذاری چیست؟!

بدترین نوع بارگذاری خستگی، بارگذاری کاملاً معکوس نام دارد.

 

❓به نظر شما چرا بدترین نوع بارگذاری را بارگذاری کاملاً معکوس می‌نامند؟!

  • توزیع تنش یکنواخت: در این نوع چرخه، تنش به صورت یکنواخت بین کشش و فشردگی نوسان می‌کند. این توزیع یکنواخت تنش می‌تواند باعث ایجاد ترک‌های خستگی در نقاطی شود که انتظار نمی‌رود.
  • عدم تمرکز تنش اولیه: در مقایسه با برخی دیگر از انواع بارگذاری، در چرخه کاملاً معکوس، تمرکز تنش اولیه در نقاط خاصی وجود ندارد. این بدان معنی است که ترک‌های خستگی می‌توانند در هر نقطه از قطعه شروع شوند.
  • تأثیر عوامل محیطی: عوامل محیطی مانند خوردگی، دما و رطوبت می‌توانند تأثیر بیشتری بر روی رشد ترک‌های خستگی در این نوع چرخه داشته باشند.

 

  ❓چه عواملی چرخه تنش کاملاً معکوس را خطرناک‌تر می‌کند؟

  • دامنه تنش بالا: هرچه دامنه تغییرات تنش بیشتر باشد، احتمال ایجاد و گسترش ترک‌های خستگی بیشتر می‌شود.
  • تعداد سیکل‌های زیاد: با افزایش تعداد سیکل‌های بارگذاری، فرصت بیشتری برای ایجاد و گسترش ترک‌های خستگی وجود دارد.
  • وجود عیوب در ماده: وجود عیوب مانند ناخالصی‌ها، حفره‌ها و ترک‌های ریز می‌تواند به عنوان نقاط شروع برای رشد ترک‌های خستگی عمل کند.

6. فرایند خستگی در سازه

زلزله‌ها از عوامل موثر بر پدیده خستگی در سازه‌های فولادی و بتنی هستند و پیش‌لرزه‌ها و پس‌لرزه‌ها نیز مانند زلزله اصلی، تأثیرات قابل‌توجهی بر پدیده خستگی در سازه‌ها دارند. درک دقیق تأثیر این لرزه‌ها نیازمند بررسی جنبه‌های مختلفی از بارگذاری‌های چرخه‌ای و رفتاری سازه‌ها در مواجهه با تنش‌های متناوب است.

1.6. پیش لرزه ها

پیش‌لرزه‌ها معمولاً زلزله‌های کوچکتری هستند که قبل از زلزله اصلی رخ می‌دهند. اگرچه انرژی و شدت این لرزه‌ها ممکن است کمتر از زلزله اصلی باشد، اما می‌توانند اثرات مقدماتی بر سازه‌ها داشته باشند. این اثرات به صورت زیر است:

– آغاز آسیب‌های اولیه خستگی: پیش‌لرزه‌ها با ایجاد تنش‌های چرخه‌ای کوچک‌تر، ممکن است شروع به تولید ترک‌های میکروسکوپی و آسیب‌های اولیه در مصالح سازه‌ای کنند. اگر سازه به طور مکرر تحت این نوع لرزه‌ها قرار گیرد، می‌تواند باعث ضعف موضعی در برخی اجزاء شود که بعداً تحت زلزله اصلی به گسیختگی منجر شود.

– کاهش مقاومت خستگی: بارهای متناوب پیش‌لرزه‌ها ممکن است باعث کاهش مقاومت خستگی مواد شوند. به‌عبارتی، مصالح پیش از وقوع زلزله اصلی تحت تنش‌های متناوب و تغییرشکل‌های پلاستیک قرار می‌گیرند که تحمل آنها را برای بارهای چرخه‌ای بعدی کاهش می‌دهد.

– آماده‌سازی شرایط شکست: در پیش‌لرزه‌ها، ممکن است برخی نواحی خاص در سازه به حدی از آسیب برسند که در زلزله اصلی به صورت موضعی دچار گسیختگی یا تغییر شکل دائمی شوند.

2.6. پس لرزه ها

پس‌لرزه‌ها، که پس از زلزله اصلی رخ می‌دهند، می‌توانند تأثیرات مخربی بر سازه‌هایی که از زلزله اصلی آسیب دیده‌اند داشته باشند. سازه‌هایی که تحت بارهای متناوب قرار می‌گیرند، ممکن است به دلیل آسیب‌های قبلی، در معرض تخریب بیشتر قرار گیرند.

– تشدید آسیب‌های خستگی: پس از وقوع زلزله اصلی، بسیاری از اعضا و اتصالات سازه‌ای ممکن است دچار ترک، خمیدگی یا تغییرشکل شده باشند. در این شرایط، پس‌لرزه‌ها با اعمال بارهای چرخه‌ای بیشتر، آسیب‌های ناشی از خستگی را تشدید می‌کنند و سرعت رشد ترک‌ها یا مناطق ضعیف را افزایش می‌دهند.

– کاهش پایداری نهایی سازه: پس‌لرزه‌ها می‌توانند پایداری نهایی سازه را کاهش دهند، به‌ویژه اگر سازه از زلزله اصلی به‌شدت آسیب دیده باشد. در این وضعیت، برخی از عناصر سازه‌ای که قبلاً دچار خستگی شدید شده‌اند، ممکن است با پس‌لرزه‌ها به حد شکست برسند.

– افزایش احتمال گسیختگی: پس‌لرزه‌ها می‌توانند به نقاط بحرانی که در زلزله اصلی دچار آسیب شده‌اند، فشار بیشتری وارد کنند و احتمال گسیختگی نهایی را در سازه افزایش دهند.

3.6. مکانیزم های خستگی تحت لرزه‌های متوالی

وقتی سازه‌ها تحت تأثیر لرزه‌های متوالی (پیش‌لرزه، زلزله اصلی و پس‌لرزه‌ها) قرار می‌گیرند، چند مکانیزم مهم خستگی رخ می‌دهد:

– خستگی با شدت پایین (Low-Cycle Fatigue): زلزله‌های بزرگ به دلیل ایجاد تغییرشکل‌های پلاستیک در سازه، به خستگی با چرخه کم منجر می‌شوند. این نوع خستگی در اثر بارگذاری‌های با دامنه زیاد و تعداد چرخه‌های کمتر رخ می‌دهد.

– خستگی تجمعی (Cumulative Fatigue): اگر پیش‌لرزه‌ها، زلزله اصلی و پس‌لرزه‌ها به صورت متوالی رخ دهند، تأثیرات خستگی تجمعی در سازه‌ها مشاهده می‌شود. به‌این‌معنی که هر زلزله، آسیب‌های خستگی موجود را افزایش داده و نهایتاً منجر به تخریب کلی می‌شود.

4.6. راهکارهای مقابله با خستگی ناشی از لرزه‌ها

– طراحی لرزه‌ای مقاوم: استفاده از طراحی‌های مقاوم لرزه‌ای، مانند اتصالات انعطاف‌پذیر و مصالح با استحکام بالا که می‌توانند تغییرشکل‌های چرخه‌ای را بدون وقوع گسیختگی تحمل کنند.

– تحلیل‌های دقیق خستگی: استفاده از تحلیل‌های خستگی در طراحی و ارزیابی سازه‌ها می‌تواند به پیش‌بینی رفتار آنها در برابر لرزه‌های متوالی کمک کند. این تحلیل‌ها باید شامل مدل‌سازی دقیق اثرات پیش‌لرزه‌ها و پس‌لرزه‌ها باشد.

– نگهداری و ارزیابی دوره‌ای: پس از وقوع زلزله، ارزیابی دوره‌ای سازه‌ها برای شناسایی ترک‌ها و آسیب‌های خستگی بسیار مهم است. بازسازی و تقویت سازه‌های آسیب‌دیده می‌تواند از آسیب بیشتر در پس‌لرزه‌ها جلوگیری کند.

پیش‌لرزه‌ها و پس‌لرزه‌ها می‌توانند به طور جدی بر پدیده خستگی سازه‌ها تأثیر بگذارند. این لرزه‌ها با ایجاد تنش‌های متناوب و بارگذاری چرخه‌ای، می‌توانند منجر به تشدید خستگی و آسیب‌های ناشی از آن شوند. طراحی و نگهداری سازه‌ها با در نظر گرفتن این تأثیرات، کلیدی برای کاهش آسیب‌های ناشی از خستگی در هنگام وقوع زمین‌لرزه‌ها است.

7. فرایند خستگی

آزمایش‌ها بر روی سازه‌هایی 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 به‌طور خلاصه، فرایند خستگی شامل موارد زیر است:

1.7. آغاز ترک ناشی از خستگی

در اثر بارهای تکرارشونده، ترک‌های ریز در قطعه شروع به جوانه‌زدن می‌کنند. محل شروع ترک در جسم، در نواحی ذیل بیشتر محتمل است:

  • تمرکز تنش: در نقاطی از قطعه که تمرکز تنش وجود دارد، مانند سوراخ‌ها، گوشه‌های تیز، شیارها و محل اتصال اجزا، تنش موضعی به شدت افزایش می‌یابد. این نواحی به عنوان نقاط آغازین ترک‌های خستگی شناخته می‌شوند.
  • عیوب میکروسکوپی: عیوب میکروسکوپی مانند ناخالصی‌ها، حفره‌ها و ترک‌های ریز نیز می‌توانند به عنوان نقاط شروع ترک عمل کنند.
  • خوردگی: محیط‌های خورنده می‌توانند باعث ایجاد حفره‌های کوچک در سطح قطعه شوند که به عنوان نقاط آغازین ترک عمل می‌کنند.

 

ایجاد ترک

شکل 6: ایجاد ترک های ریز

2.7. آغاز ترک ناشی از خستگی

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

 

آغاز ترک ناشی از خستگی

شکل 7: رشد ترک

3.7. 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.

 

فرایند خستگی

شکل 8- شکست نهایی

 

8. شکست خستگی در سازه

شکست ناشی از خستگی، حتی برای موادی که به‌صورت 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 جاری‌شدن فلز) در آن است.

1.8. نحوه تشخیص شکست خستگی

شکست در اثر خستگی را می‌توان به‌راحتی از روی سطح مقطع شکست تشخیص داد. سطح مقطع این نوع  شکست، از دو قسمت تشکیل‌ می‌شود: یکی منطقه صاف 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 دیگری ناحیه‌ای که شکست سریع در آنجا اتفاق می‌افتد (شکل 9 و 10).

وقتی‌که ترک به‌اندازه‌ای رشد پیدا کند که جسم، تحمل بارگذاری را نداشته باشد، شکست به‌سرعت در قسمت باقی‌مانده سطح گسترش می‌یابد و گسیخته می‌شود. این شکست، دو ویژگی مهم دارد که به‌راحتی 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

شکل 9: قسمت‌های مختلف شکست خستگی

 

خستگی در سازه های فولادی

شکل 10: خستگی در یک مقطع فولادی

9. 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.

1.9. نحوه انجام آزمون تست خستگی

به‌منظور به‌دست‌آوردن استحکامِ خستگیِ نمونه‌هایی از ماده موردنظر که همگی به‌صورت استاندارد دارای یک‌شکل، سطح مقطع دایره‌ای، ابعاد مشخص‌شده، بدون عیب و با شرایط یکسان باشند، را انتخاب می‌کنیم.

با اعمال بار (به‌صورت خمشی) به نمونه‌‌ی نصب شده (شکل 12) بر روی دستگاه (شکل 11)، در سطح بالایی نمونه، بلافاصله تنش کششی و در سطح زیری تنش فشاری ایجاد می‌شود. بعدازاینکه نمونه توسط موتور چرخنده، نیم دور (180 درجه) چرخید، محلی که ابتدا تحت تأثیر تنش کششی قرارگرفته بود، اکنون تحت تنش فشاری قرار می‌گیرد؛ بنابراین تنش در هر نقطه‌ای از نمونه به‌صورت دور تناوب سینوسیِ کامل، تغییر می‌کند. تعداد دورهایی که نمونه تا قبل از شکست تحمل می‌کند، نشان‌دهنده مقاومت خستگی آن ماده است.

 

نکات مهم:

▪️ نوع بارگذاری: در این دستگاه، بارگذاری به صورت خمش چرخشی است.

▪️ پارامترهای آزمایش: مهم‌ترین پارامترهای آزمایش خستگی عبارت‌اند از: دامنه تنش، فرکانس بارگذاری، شکل موج بارگذاری و محیط آزمایش.

▪️ هدف از آزمایش: تعیین مقاومت خستگی مواد، بررسی تأثیر عوامل مختلف بر عمر خستگی و ارزیابی طراحی قطعات.

 

آزمون خستگی در سازه فولادی

شکل 11: دستگاه تست خستگی (محور چرخان)

 

نمونه مورد استفاده در آزمون خستگی سازه فولادی

شکل 12: شماتیک و ابعاد نمونه مورداستفاده 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).

 

همان‌گونه که به خاطر دارید، تنش‌های اعمال‌شده نباید هر دو به‌صورت فشاری باشند؛ زیرا تنش‌های فشاری باعث بسته‌شدن ترک‌ها می‌شوند و در این حالت شکست رخ نمی‌دهد. پس حداقل باید یکی از تنش‌ها کششی باشد.

 

نکته: حداکثر تنش اعمال‌شده به نمونه آزمایش خستگی، به نیروی واردشده ناشی از وزنه، طول نمونه و قطر نمونه وابسته است.

2.9. 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 ( 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

شکل 13- 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

شکل 14- منحنی S-N فولاد کم‌کربن و آلومینیوم

10. خستگی در سایر مواد

موادی مانند بتن، مس، آلومینیوم، پلیمرها و… نیز مانند فولاد، در اثر خستگی از کار می‌افتند. نمودار 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 (به‌طور مثال 10 میلیون بار) مشخص می‌کنند (یعنی مثلاً تنش بیشینه‌ای که با 10 میلیون بار، سیکل بارگذاری تحت آن گسیخته می‌شود، به‌عنوان حد استحکام آن ماده در نظر می‌گیرند).

11. 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:

 

عوامل تاثیرگذار بر عمر خستگی

 

1.11. 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.

2.11. 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)

3.11. 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.

4.11. 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.

5.11. طراحی سازه

طراحی نادرست یا وجود نقص در طراحی می‌تواند احتمال خستگی را افزایش دهد. مهندسان باید در طراحی سازه‌ها به جزئیات و نقاط تمرکز تنش توجه ویژه‌ای داشته باشند.

12. عوامل کاهنده اثرات خستگی در سازه

با شناخت عوامل مؤثر بر ایجاد خستگی (عوامل بالا) می‌توان خستگی را در سازه‌ها کاهش 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 مشت‌ومال 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.

 

عوامل کاهنده اثرات خستگی در سازه

 

13. 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.

 

خستگی سازه در آیین‌ نامه‌ های 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.

14. 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. ازاین‌رو تحلیل خستگی در اتصالات فولادی، اهمیت دوچندان دارد.

در اعضایی که ناپیوستگی‌هایی 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

شکل15- خستگی در اتصالات جوشی

 

شکست خستگی در پیچ های سازه

شکل16- شکست خستگی در پیچ‌ها

 

در ادامه، می‌توانید با عوامل مؤثر بر خستگی در اتصالات جوش داده‌شده، به طور خلاصه آشنا شوید:

1.14. شکل اتصال

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

2.14. عیوب جوش

عیوب جوش مانند هم‌راستا نبودن اتصال جوش، نفوذ ناقص، ترک، ذوب ناقص، تخلخلی و… بر روی خستگی 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 (ناقص) در شرایطی که بارگذاری‌های متناوب در اثر خستگی وجود دارند، مجاز نیست.

 

عوامل موثر بر عمر خستگی در اتصالات جوشی سازه های فولادی

3.14. 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.

4.14. 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.

5.14. 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.

6.14. اثر محیط

سازه‌های مهندسی به‌طورکلی در معرض هوا، آب و یا آب‌های شور هستند. به‌عنوان‌مثال، آب‌های شور دریا و ترکیبات خورنده موجود در آن در سازه‌های ساحلی و رطوبت شدید هوا باعث کاهش عمر خستگی می‌شوند.

7.14. روند جوشکاری

جوشکاری غلط و غیراصولی، منجر به تمرکز تنش و ایجاد عیوب زیادی در جوش می‌شود و درنتیجه موجب جوانه‌زنی 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:

 

افزایش استحکام خستگی اتصالات جوشی

شکل 17- فاکتورهای کمک‌کننده به افزایش استحکام خستگی اتصالات جوشی

 

15. خستگی در سازه اسکلت بتنی

به طور معمول مهندسان سازه خستگی را برای فولاد مورد بررسی قرار می‌دهند؛ اما این پدیده در بتن هم ممکن است رخ دهد. نگرانی در مورد خستگی بتن، در سازه‌های مهم مانند پل هوایی و سازه‌های وابسته، رو به افزایش است. در پل‌های بتنی در سطح شهر که عبور و مرور روی 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 سازه‌های بتنی در دسته پدیده‌های معمول نیست.

1.15. خستگی بتن چیست؟

فرض کنید نمونه بتنی در اختیار داریم که تحت اعمال بارگذاری و باربرداری به صورت متناوب است  و پس از هربار باربرداری، مقدار زیادی کرنش پسماند، در بتن باقی می­ماند. این موضوع باعث می­شود که، مقاومت بتن در بارگذاری بعدی کاهش یابد. با تداوم عملیات بارگذاری و باربرداری، کرنش­های بیشتری در بتن باقی مانده، و درنهایت مقاومت خود را کاملاً از دست می‌دهد و  تحت حداکثر بار وارده، شکسته می­شود. این پدیده بیانگر مقاومت خستگی بتن پس از اعمال بارهای سیکلی است. منحنی تنش _ کرنش این پدیده به صورت شکل 18 زیر است:

 

نمودار تنش کرنش مقاومت خستگی بتن

شکل 18- منحنی تنش _ کرنش مقاومت خستگی بتن

16. تفاوت خزش و خستگی

خزش و خستگی دو پدیده مهم در مهندسی سازه‌ها هستند که هر کدام تأثیرات خاصی بر عملکرد و دوام مواد دارند. در ادامه، تفاوت‌های کلیدی بین این دو پدیده بررسی می‌شود:

  • خزش: خزش به تغییر شکل دائمی و تدریجی ماده تحت بار ثابت و در طول زمان گفته می‌شود. این پدیده معمولاً در دماهای بالا و تحت تنش‌های پایین‌تر از حد تسلیم ماده رخ می‌دهد. خزش می‌تواند منجر به تغییر شکل‌های غیرقابل‌برگشت در سازه‌ها شود و به ویژه در مواد مانند بتن و فلزات مشهود است.
  • خستگی: خستگی به شکست ماده در اثر بارگذاری‌های متناوب و تکراری اشاره دارد. این پدیده معمولاً در شرایطی رخ می‌دهد که ماده تحت تنش‌های چرخه‌ای قرار می‌گیرد و می‌تواند منجر به ایجاد ترک‌ها و در نهایت شکست ناگهانی شود. خستگی معمولاً در مواد فلزی و سازه‌های بتنی مشاهده می‌شود.

 

جدول 2: مقایسه خستگی و خرش

ویژگیخستگیخزش
مکانیزمشکست ناشی از بارگذاری‌های متناوبتغییر شکل تدریجی تحت بار ثابت
زمانوابسته به تعداد سیکل‌های بارگذاریوابسته به زمان و دما
تنشتحت تنش‌های متناوبتحت تنش ثابت
نتیجهشکست ناگهانیتغییر شکل دائمی
خطرخطر شکست ناگهانی بدون هشدارخطر تغییر شکل‌های غیرقابل‌برگشت

 

 

تفاوت خزش و خستگی چیست

شکل 19- خزش ( نمودار تغییرطول-زمان) یک میله تحت اثر بار ثابت

 

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

 

شکست ناشی از خزش

شکل 20- اعوجاج عرشه پل بر اثر شکم دادگی بین دو تکیه گاه

 

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.

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

تجزیه‌وتحلیل خستگی در سازه‌ها اهمیت زیادی دارد و دلایل زیر به خوبی این اهمیت را توضیح می‌دهد:

▪️ پیش‌بینی و جلوگیری از شکست: خستگی معمولاً به دلیل بارگذاری‌های متناوب و تکراری رخ می‌دهد و می‌تواند منجر به شکست ناگهانی سازه شود. با تجزیه‌وتحلیل خستگی، مهندسان می‌توانند نقاط ضعف سازه را شناسایی کرده و از وقوع شکست جلوگیری کنند.

▪️ طراحی ایمن‌تر: تجزیه‌وتحلیل خستگی به مهندسان کمک می‌کند تا سازه‌ها را به گونه‌ای طراحی کنند که در برابر بارهای متناوب مقاوم باشند. این تجزیه‌وتحلیل شامل انتخاب مواد مناسب و طراحی مؤلفه‌ها به گونه‌ای است که تنش‌های متمرکز کاهش یابد.

▪️ افزایش عمر مفید سازه: با درک رفتار خستگی مواد و پیش‌بینی عمر خستگی، می‌توان برنامه‌های نگهداری و تعمیرات بهینه‌ای را طراحی کرد که به افزایش عمر مفید سازه کمک می‌کند.

▪️ کاهش هزینه‌ها: با شناسایی و پیشگیری از مشکلات خستگی قبل از وقوع آن، می‌توان هزینه‌های ناشی از تعمیرات و نگهداری غیرمنتظره را کاهش داد. این امر به بهبود کارایی و صرفه‌جویی در هزینه‌ها کمک می‌کند.

▪️ ایمنی عمومی: سازه‌هایی که تحت بارهای متناوب قرار دارند، مانند پل‌ها و ساختمان‌های بلند، نیاز به تجزیه‌وتحلیل خستگی دارند تا ایمنی ساکنان و کاربران آنها تضمین شود. شکست در این سازه‌ها می‌تواند عواقب جدی و خطرناکی داشته باشد.

پرسش و پاسخ

خستگی در سازه به چه معناست؟
خستگی در سازه‌ها به معنای شکست ماده در اثر اعمال نیروهای متناوب و تکراری کمتر از استحکام نهایی و معمولاً کمتر از حد تسلیم است. به عبارت دیگر، خستگی باعث می‌شود سازه‌ها پس از تعداد مشخصی سیکل بارگذاری دچار شکست شوند.
خستگی در تمام سازه‌ها مشابه یکدیگرند؟
خیر؛ خستگی معمولاً به دلیل بارگذاری‌های متناوب و تکراری رخ می‌دهد و می‌تواند منجر به شکست ناگهانی سازه شود. خستگی در سازه‌ها یک پدیده پیچیده و مهم است که تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار دارد. به طور کلی، خستگی در تمام سازه‌ها مشابه یکدیگر نیست و ویژگی‌های خاص هر نوع سازه می‌تواند بر رفتار آن در برابر خستگی تأثیر بگذارد. با تجزیه‌وتحلیل خستگی، مهندسان می‌توانند نقاط ضعف سازه را شناسایی کرده و از وقوع شکست جلوگیری کنند.
خستگی تنها در سازه‌های فولادی حائز اهمیت؟
خیر؛ خستگی هم در سازه‌‌های فولادی و هم در سازه‌های بتنی اهمیت دارد و نگرانی‌هایی بابت خستگی در بتن، در سازه‌های همچون پل‌های روگذر وجود دارد.

نتیجه گیری

با افزایش اهمیت و همچنین کاربرد‌های مختلف سازه‌ها، امروزه شاهد گسترش احداث ساختمان‌ها، پل‌ها و اعضای زیرساختی 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 است. بسیاری از سازه‌ها بیش از 50 سال از عمرشان می‌گذرد و نشانه‌های شدید پوسیدگی و ترک‌خوردگی طولانی‌مدت در آن‌ها مشاهده شده است. این پدیده به‌ویژه در پل‌های فولادی و بتنی که در آن ترک‌‌ها و پوسیدگی‌ها ایمنی این شریان حیاتی را تهدید می‌کنند، از اهمیت دوچندان 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 تأثیرگذار انجام دهند.

منابع

 

  1. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1401
  2. آیین‌نامه‌ی AISC360 ویرایش سال 2022 آمریکا
  3. Mechanics Of Material, 6th, Beer & Johnston
  4. Mechanical Properties and Working of Metals and Alloys
  5. Mechanics Of Material, 6th, Beer & Johnston
خرید لينک هاي دانلود

با عضویت بدون وارد کردن اطلاعات رایگان دریافت کنید.

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

دانلود سریع و رایگان

پیش از همه باخبر شوید!

تعداد علاقه‌مندانی که تاکنون عضو خبرنامه ما شده‌اند: 37,298 نفر

تفاوت خبرنامه ایمیلی سبزسازه با سایر خبرنامه‌ها، نوآورانه و بروز بودن آن است. فقط تخفیف‌ها، جشنواره‌ها، تازه‌ترین‌های آموزشی و ... مورد علاقه شما را هر هفته به ایمیلتان ارسال می‌کنیم.

نگران نباشید، ما هم مثل شما از ایمیل‌های تبلیغاتی متنفریم و خاطر شما را نخواهیم آزرد!

تولید کنندگان آموزش
با ارسال هشتمین دیدگاه، به بهبود این محتوا کمک کنید.
نظرات کاربران
  1. مهدی

    ممنون به خاطر مقاله جامع و کاملی که ارائه کردید
    خیلی عالی بود

    پاسخ دهید

  2. مهندس مرضیه صبور (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    سلام جناب مهندس
    خیلی ممنون از حسن توجه شما
    پیشنهاد می کنم به شهریادگیری سبزسازه هم سر بزنید مطالب به صورت رایگان و دسته بندی شده در اختیار شما قرار گرفته اند.

    پاسخ دهید

  3. امید کرمزاده ایرندگان

    خیر

    پاسخ دهید

  4. 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

  5. سید محمدجواد هاشمی (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

    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

  6. mohsensaz116@gmail.com

    خیلی خوب بود ولی بهتر ازینم میتونست باشه

    پاسخ دهید

  7. سعید کاویان‌پور (پاسخ مورد تایید سبزسازه)

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

    پاسخ دهید

question