مقاله تحلیلی: شکست و فرسودگی در سازه‌ها

هدف از این مقاله، افزایش شناخت مهندسین در مورد حقایق و علل شکل گیری ترک‌ها در بحث طراحی خستگی و شکست می‌باشد. پس از مطالعه این بخش، سؤالات بیشتری در ذهن خواننده متبادر خواهد شد. این موضوع به دلیل عدم یادگیری خواننده نیست، بلکه به دلیل شناخت بهتر آن‌ها از این مفاهیم و طرح پرسش‌های مهم خواهد بود.

وجود ترک و راهکارهای مقابله با آن

آیا شما تا به حال ترکی در یک سازه مشاهده کرده‌اید و یا به ارزیابی آن پرداخته‌اید؟ این موضوع می‌تواند نگران کننده به نظر برسد. در مورد ترک‌هایی مانند آنچه در شکل 1 مشاهده می‌شود، می‌توان قسمتی از لوله را تعویض کرد؛ اما در مورد ترک شکل 2 چه طور؟ همچنین ممکن است بازرس UT این موضوع را به شما اطلاع دهد که یک ترک در داخل قسمت مهمی از سازه شما وجود دارد که شما نمی‌توانید آن را ببینید. تحت این شرایط، راهکارها کمتر شده و رسیدن به راه حل دشوارتر می‌گردد.

وجود موضوعات پیچیده حقیقتی است که در آیین نامه‌هایی که راهکارهایی را برای ارزیابی ترک‌ها به مهندس ارائه می‌کنند، منظور نشده و این موضوع به عنوان یک خلأ مهم در توانایی مهندس جهت ارزیابی آن‌ها و ارائه توصیه‌هایی جهت تعمیر به شمار می‌آید. خوشبختانه، روش‌هایی جهت ارزیابی این چالش‌ها وجود دارند که در دو مقاله بعد این مجموعه مورد بحث قرار خواهند گرفت.

این موضوع پیچیده و در عین حال قابل حل می‌باشد

ماهیت پیچیده ترک‌ها را در نظر بگیرید. متغیرهایی که بر روی رفتار خستگی و شکست تأثیر می‌گذارند، متعدد می‌باشند. شکل 3 نشان دهنده عوامل متعدد تأثیر گذار بر طراحی خستگی و شکست می‌باشد. این فلوچارت به صورت کامل ارائه نشده است، اما می‌تواند نقطه شروع خوبی باشد.

خیال در مقابل حقیقت

بزرگ‌ترین معضل موجود در روش ما جهت طراحی خستگی و شکست، ساده کردن بیش از حد مسائل است. طراحی ترک مملو از همین ساده سازی ها می‌باشد. چرا؟ این موضوع در ابتدا موجب ساده‌تر شدن طراحی می‌گردد. چه کسی سادگی را نمی‌پسندد؟ در دنیای واقعی، مسئله و راه حل به مراتب پیچیده‌تر می‌باشند. ساده کردن بیش از حد منجر به نادیده گرفته شدن متغیرهای مهم تأثیر گذار در عملکرد از سوی مهندس می‌گردد.

با توجه به نظر مهندس در مورد خستگی و شکست، می‌توان تحقق خیال به واقعیت را مشاهده کرد. ثابت خستگیC_f به عنوان یک متغیر رایج در جداول طراحی خستگی انجمن فولاد آمریکا (AISC)، موسسه حمل و نقل و بزرگراه‌های آمریکا (AASHTO) و انجمن مهندسی راه آهن و نگهداری راه آمریکا (AREMA) به شمار می‌آید. با این حال این متغیر در هر جدول متفاوت می‌باشد. چگونه یک متغیر ثابت می‌تواند دارای مقادیر مختلفی باشد؟ این موضوع که ما C_f را به عنوان یک ثابت در نظر می‌گیریم نشان می‌دهد که ما امکان بهبود نگرش خود در مورد مسئله خستگی را داریم.

دو مثال نشان دهنده توهم و خیال در طراحی خستگی می‌باشد. به منحنی S-N و ترک فرضی در یک میله چشمی توجه کنید.

منحنی S-N

منحنی تنش S بر حسب تعداد چرخ‌های N در کتاب‌ها مناسب و با رسیدن به مقدار حدی برای فولادها کامل می‌شود. با این حال با توجه به داده‌های آزمایشی نشان داده شده در شکل 4، می‌توان توزیع گسترده‌ای را مشاهده کرد. می‌توان به صورت ساده‌انگارانه یک منحنی ساده را در نظر گرفت؛ در صورتی که تنش‌های خود را به میزان لازم به مقدار کم حفظ کنیم، نبایستی نگرانی زیادی در خصوص ترک‌ها داشته باشیم. حقیقت نشان می‌دهد که داده‌های پرتی وجود دارند که منجر به وقوع ترک‌ها می‌شوند.

میله چشمی

محل فرضی ترک در یک میله چشمی در نزدیکی سوراخ مفصل عمود بر طول میله مطابق شکل 5 می‌باشد. این موضوع موجب بروز درک زیادی شده و جهت شروع تحلیل مناسب می‌باشد. با این حال، در صورتی که ما تنها به ترک‌های واقع در موقعیت فرضی نگاه کنیم، ممکن است از ترک‌های دیگر غفلت کنیم. حقیقت به ما نشان می‌دهد که ترک‌ها تنها در قسمت‌های مورد انتظار ما رخ نمی‌دهند. چرا؟ حال به بررسی این موضوع می‌پردازیم.

علل پیچیدگی

اما چرا به واقع این موضوع پیچیده به نظر می‌رسد؟

مصالح دارای خصوصیات ایده آلی نمی‌باشند، محیط زیست چندان عاری از آلاینده‌ها نیست و بارها نیز همواره مطابق انتظار نمی‌باشند. همچنین، موارد زیر نیز تأثیر قابل توجهی بر شکل گیری ترک، رشد و اندازه حقیقی آن دارند:

اندازه
موقعیت
اجرا
سازه اصلی
تنش پسماند
خوردگی
طیف بار

این پارامترها موجب ایجاد بسیاری از داده‌های پرت می‌گردند. تست¬های آزمایشی به سادگی قادر به بررسی تمامی متغیرهای تأثیر گذار بر سازه نمی‌باشند. در صورتی که ما تنها یک چارت داشته باشیم که مؤید عمر سازه در صورت کم بودن تنش اعمالی باشد، این موضوع چندان مناسب نخواهد بود.

بنابراین مهندس طراح باید چه اقداماتی انجام دهد؟

در ابتدا باید به پیچیده بودن ترک‌ها پی ببرد. با در نظر گرفتن تمامی پارامترها از سوی مهندس، مباحث حائز اهمیت و همچنین مواردی که به توجه زیادی نیاز دارند، مشخص خواهد شد.

دوماً می‌توان از ابزارهای پیشرفته مانند مکانیک شکست جهت حل بهتر مسئله استفاده کرد. سوماً، بایستی از آزمایش مصالح به صورت حقیقی استفاده کرد. چهارماً، بایستی به بازرسی پرداخت. بایستی در برخی از مواقع در محل حضور یافته و مشکل را مشاهده کرد. مشاهده مسئله به عنوان تنها راه شناخت آنچه در حال وقوع می‌باشد، است.

در نهایت، می‌توان از طیف وسیعی از دانش موجود استفاده کرد. از این نظر پلینی در آزمایشگاه تحقیقات ناوال اشاره کرده است که:

به طور خلاصه، روند فعلی در تحقیقات شکست متمرکز بر پیچیدگی فزاینده در حل مسئله به جای حذف دانش گذشته می‌باشد. طیف وسیعی از تحقیقات شکست مستلزم توجه زیاد به مسائل مختلف که دارای خصوصیات ویژه‌ای می‌باشد، است؛ بنابراین نباید مهندس این انتظار را داشته باشد که طراحی ایمن شکست شامل یک روش معمول واحد و مشخص می‌باشد، بلکه در برگیرنده طیفی از روش‌ها می‌باشد که دارای همپوشانی و یکپارچگی در یک الگوی مشترک می‌باشند (پلینی 1969).

اصول رشد ترک

* مراحل رشد ترک

جهت بررسی دقیق‌تر موضوع، چهار مرحله رشد ترک را در نظر بگیرید:

هسته، رشد کوتاه و بلند و ناپایداری نهایی.

سه فاز اول در شکل 6 نشان داده شده‌اند. فاز هسته (مرکزی) به صورت زمان مورد نیاز برای تشکیل یک ترک می‌باشد. سپس مسیر ترک کوتاه بستگی زیادی به ساختار ذره دارد و اغلب به صورت غیرمستقیم (دارای پیچ خوردگی) نشان داده می‌شود. فاز ترک بلند یکنواخت‌تر و بلندتر بوده و کمتر تحت تأثیر ساختار ذره قرار می‌گیرد. ناپایداری نهایی اغلب به صورت شکست سریع با حرکت ترک در سرعت صوت در ماده می‌باشد.

* مدل‌های ترک

سه مدل بارگذاری ترک وجود دارند: باز شدگی (حالت 1)، لغزش (حالت 2) و پاره شدگی (حالت 3). در حالت 1، ترک خوردگی به وسیله تنش‌ها و تغییر مکان‌های عمود بر سطوح ترک بیان می‌شوند. تنش‌های برشی صفحه‌ای همراه با تغییر مکان‌های ترک در صفحه ترک و عمود بر لبه بارگذاری ترک، موجب ایجاد ترک خوردگی حالت 2 می‌گردند. ترک خوردگی حالت 3 ناشی از برش خارج از صفحه با تغییر مکان‌هایی در صفحه ترک و موازی با جلوی ترک می‌باشند.

* فرآیند رشد ترک

هر چند که مکانیک شکست در مورد اندازه ترک بحرانی و میزان سرعت رسیدن ترک به این اندازه می‌باشد، اما اطلاعاتی را در مورد نحوه شکل گیری ترک‌ها ارائه نمی‌کند. بدون شناخت از نحوه شکل گیری ترک‌ها، تنها می‌توان به صورت سطحی به بررسی ترک پرداخت. با این حال، با شناخت فرآیندهای ترک خوردگی (فیزیک شکست)، می‌توان ترک خوردگی را به صورت کلی بر طرف کرد. این موضوع منجر به ایجاد یک ساختار ایمن‌تر و قابل اطمینان تر می‌گردد.

مکانیسم‌های زیادی موجب شکل گیری ترک‌ها شده و بر روی رشد احتمالی ترک و نرخ رشد تأثیر می‌گذارند. شکل 3 عوامل زیادی را که بر روی رشد و شکل گیری هسته ترک تأثیر می‌گذارند، نشان داده است. مطابق جدول، عوامل شکل ترک‌ها و عوامل تأثیر گذار بر رشد آن‌ها مورد اشاره قرار گرفته‌اند.

با بررسی یک متغیر که اغلب در مورد تنش نیز مورد اشاره قرار می‌گیرد و با در نظر نگرفتن عوامل دیگر که منجر به غیر محافظه کارانه شدن طراحی به صورت مرتبه‌ای از اندازه آن می‌گردد، تحلیل را پی می‌گیریم.

قید

اغلب از مهندسین با تجربه این موضوع را می‌شنویم که از اتصالات با جوش اضافی پرهیز کنیم. چرا؟ این موضوع دارای پیامدهای اقتصادی و زیست محیطی می‌باشد اما از این مهم‌تر موجب کاهش اثر قیدی می‌گردد. قید کاهش یافته موجب افزایش چقرمگی و جذب انرژی می‌گردد.

قید در مورد ناپایداری مصالح در تغییر شکل می‌باشد زیرا مصالح اطراف موجب نگهداری آن می‌گردند. هنگامی که یک ماده مقید می‌شود، تنش کششی در هر دو جهت عمود بر تنش اعمالی (جهت‌های Y و Z در صورتی که X در جهت تنش اعمالی باشد) ناشی از اثر پواسون مطابق شکل 7 ایجاد می‌گردد.

حالت تنش سه محوری موجب کاهش تنش‌های برشی اصلی در مصالح می‌گردند. همچنین این موضوع موجب کاهش تغییر شکل پلاستیک که در صفحات تنش برشی اصلی ناشی از لغزش رخ می‌دهد، می‌گردد. از این رو کاهش توانایی ماده جهت تغییر شکل یافتن به صورت پلاستیک موجب کاهش چقرمگی یا توانایی آن جهت جذب انرژی شکست می‌گردد.

چقرمگی شکست

چقرمگی مانند یک بوکسور و مقاومت نیز مانند یک وزنه بردار می‌باشد. چقرمگی معیار میزان سوء استفاده از یک ماده می‌باشد. به صور فنی‌تر، چقرمگی شکست مقاومت ترک را اندازه گیری می‌کند.

روند چقرمگی

چقرمگی شکست و تمامی خصوصیات ساختاری تحت تأثیر اندازه یک عضو می‌باشند. با افزایش اندازه، چقرمگی و مقاومت، سختی و پایداری مطابق شکل 8 کاهش می‌یابند. با حرکت از یک نمونه آزمایشی به تست مؤلفه‌ای و عملکرد در مقیاس کامل، روند کلی کاهش خصوصیات مشاهده می‌شود.

با ضخیم‌تر شدن ماده، چقرمگی کاهش می‌یابد که این خصوصیت برای چقرمگی شکست منحصر به فرد می‌باشد. پس از یک نقطه مشخص، چقرمگی به صورت چقرمگی شکست کرنشی صفحه‌ای به صورت مشابه باقی می‌ماند.

همچنین چقرمگی تحت تأثیر دما نیز می‌باشد. شکل 9 نشان دهنده منحنی‌های انتقال برای تست شارپی و دینامیکی می‌باشد. با کاهش دما، چقرمگی شکست نیز کاهش می‌یابد. به نحوه تغییر موقعیت منحنی با توجه به نوع آزمایش دقت کنید. منحنی سمت راست یک نمونه با ضخامت 1 اینچ می‌باشد، در حالی که منحنی شارپی بر اساس نمونه‌ای با ضخامت یک دوم اینج است. در صورتی که ماده به ضخامت ½ اینچ بوده و وابسته به آزمایش شارپی باشد، ما دمای انتقال حقیقی را مشاهده نخواهیم کرد. این موضوع در شکست لیبرتی شیپ در طی جنگ جهانی دوم نیز مشاهده شده است.

در نهایت، نرخ کرنش بر روی چقرمگی شکست تأثیر می‌گذارد. با افزایش نرخ کرنش، چقرمگی کاهش می‌یابد. می‌توان این موضوع را برای بارهای ضربه‌ای در نظر گرفت.

آزمایش‌های چقرمگی

مشخص کردن چقرمگی شکست به عنوان یک عامل مؤثر جهت طراحی مناسب شکست به شمار می‌آید. ما به طور خلاصه به بررسی آزمایش‌های شارپی، افت وزن و مکانیک شکست می‌پردازیم.

خواننده می‌تواند آزمایش شارپی را از تست مکانیک که در آن یک نمونه به ضخامت ½ اینچ در وسط تحت شکاف قرار گرفته و یک وزنه تحت حرکت قرار می‌گیرد، مشاهده کند. میزان انرژی جذب شده توسط نمونه همان چقرمگی می‌باشد. می‌توان از تست¬های شارپی تنها برای کنترل کیفت و نه ارتباط مستقیم با سازه‌های دارای ضخامت بیشتر از ½ اینچ استفاده کرد.

تست¬های مکانیک شکست موجب ایجاد ارتباط کلی با تحلیل مستقیم رفتار ترک می‌گردد. رایج‌ترین نمونه کرنش صفحه‌ای، نمونه تست تراکم می‌باشد کهK_IC را تعیین می‌کند. جهت انجام این آزمایش، نمونه تحت ترک خوردگی اولیه قرار گرفته است به نحوی که شرایط ترک واقعی را نشان می‌دهد. سپس نمونه تا زمانی که ترک به صورت ناپایدار گسترش یابد، تحت بارگذاری قرار می‌گیرد. با استفاده از یک جواب شدت تنش، می‌توان چقرمگی شکست را محاسبه کرده و سپس آن را در طراحی لحاظ کنیم.

این مقاله به معرفی برخی از مفاهیم بنیادین در طراحی خستگی و شکست پرداخته است. امیدواریم سؤالاتی در ذهن خواننده تداعی شده باشد. مقاله بعد جزئیاتی از طراحی خستگی بر اساس مکانیک شکست و AISC را ارائه می‌کند.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.