مقاله تحلیلی: تحلیل خستگی در سازه‌ های بتنی

برای بسیاری از مهندسان سازه، موضوع تجزیه و تحلیل خستگی به چند ارزیابی ساده بر اساس راهنمای سازه‌های فولادی از موسسه سازه‌های فولادی آمریکا (AISC) محدود شده است. طبق این راهنما کمتر از 2،000،000 چرخه مشکلی به وجود نمی‌آورد. برای سازه‌های بتنی، فرض هر گونه خسارت ناشی از خستگی جزء ملاحظات طراحی محسوب نمی‌شود؛ بنابراین، در واقع مهندسان سازه در ایالات متحده، هرگز برای شناخت اثرات خستگی به جز در مورد تأثیر زلزله نورتریج در خصوص فولاد جوش داده شده در اتصالات قاب خمشی، آموزش نمی‌بینند.

در عصر صنعتی (1920-1960) شاهد پیشرفت و گسترش در ساخت و ساز ساختمان‌ها، پل‌ها و اعضای زیرساختی جدید تحت این روش بودیم. با توجه به اینکه حرفه ساخت و ساز همچنان در حال تکامل است، مهندسان سازه متوجه شدند که موضوع خستگی فراتر از یک مبحث در کتاب درسی است و دارای پیامدهای بسیار واقعی در ملاحظات بلند مدت سازه است. بعضی از سازه‌ها بیش از 50 سال از شروع خدمات دهی آن‌ها می‌گذرد. بعضی نیز بیش از 100 سال عمر خدمات دهی دارند و نشانه‌های شدید پوسیدگی و ترک خوردگی طولانی مدت در آن‌ها مشاهده شده است. این امر به ویژه در پل‌های فولادی و بتنی که در آن ترک خوردگی، پوسیدگی و شکستگی گستره عمر این شریان حیاتی اقتصاد ما را محدود می‌کنند، وجود دارد. چرا تجزیه و تحلیل خستگی مهم است؟ دلایل اساسی عبارت‌اند از:

1. بارگذاری خستگی منجر به شکستگی، ترک خوردگی و در نهایت فروریزش / شکست می‌شود به دلیل اینکه سازه به احتمال زیاد قبل از رسیدن به نقطه تسلیم دچار شکست می‌شود. با وجود اینکه سازه الاستیک است، باز هم یک تهدید جانی برای ساکنان به شمار می‌رود.
2. طراحی برای مقاومت، شکل پذیری، پاسخ دینامیکی، سازگاری کرنش و سرویس‌دهی پایه و اساس محسوب می‌شود، اما هیچ ارتباطی با تجزیه و تحلیل خستگی ندارد. یک سازه می‌تواند با تمام اصول اساسی طراحی سازه سازگار باشد اما باز هم در اثر خستگی شکست بخورد. افزایش مقاومت (به عنوان مثال بازده مقاومت / سفتی) لزوماً به مقاومت بهتر در برابر خستگی کمک نمی‌کند.
3. شکست خستگی در نتیجه تعداد زیادی از چرخه با تنش کم تا متوسط در طی یک دوره طولانی است که در نهایت موجب شکستگی مواد و در نهایت شکست سازه می‌شود. این شکستگی‌ها افزایش خواهند یافت و در نهایت استحکام سازه‌ای عضو و سیستم را تضعیف می‌کند.

هدف از این مقدمه کوتاه در مورد تجزیه و تحلیل خستگی، بالا بردن سطح آگاهی و دانش است. این بخش، بخش مهمی از طراحی برای عملکرد طولانی مدت سازه‌های بتنی و فولادی است.

خستگی در سازه‌های بتنی

خستگی بتن به دلیل نیرو یا تنش طولانی مدت با دامنه کم، با تعداد چرخه بسیار در طول عمر سازه است که منجر به شکستگی بتن می‌شود. این امر می‌تواند در نواحی شکست کششی، برشی و فشاری اتفاق بیافتد. خستگی بتن توسط یک آیین نامه بین‌المللی پذیرفته شده (آیین نامه مدل FIB 2010 بخشی از Eurocode 2) مورد توجه واقع شده است. به اصول اساسی تجزیه و تحلیل خستگی و مدل‌های تحلیلی در این آیین نامه اشاره شده است. اصل تجزیه و تحلیل خستگی متکی بر یک مدل طراحی تجربی است:

1. منحنی تنش -چرخه (S - N) بر اساس داده‌های آزمون بار خستگی چرخه‌ای توسعه یافته است. این منحنی پوش شکستگی برای سازه است.
2. تحلیل‌ها بر مبنای جمع بارهای خستگی‌های مختلف برای تعیین اینکه آیا سازه نهایی در این منحنی پوش «گنجانیده» می‌شود، است.
3. قانون اصلی جمع پالمر-مایگرن یا روش قانون جزئی تجزیه و تحلیل خستگی است.

در مصالح بتنی، ترک خوردگی ناشی از خستگی از نظر فیزیکی قابل رؤیت نیست. به دلیل اینکه بتن کاهش کرنش را در چرخه‌های بالا تجربه می‌کند، انتشار ترک به صورت قابل رؤیت و ملاحظه ادامه خواهد یافت.

در مورد تمام سازه‌های بتنی که توسط این نوع بارگذاری تحت تأثیر قرار گرفته‌اند، فکر کنید:

• پل‌ها
• ساختمان‌های بتنی (اکثراً ساختمان‌های تجاری)
• بیمارستان‌ها
• پیاده روها
• تئاترها
• استادیوم‌ها

خستگی در سازه‌های فولادی

سازه‌های فولادی، افزایش کرنش با خستگی در چرخه بالا را تجربه می‌کنند، به طوری الگوهای شکست متفاوت هستند. نقاط بحرانی فولاد، نقاطی با تمرکز تنش، جوش و اتصالات پیچی می‌باشند.

سازه‌های فولادی با مکانیک شکست شکستگی که تحت تأثیر بار خستگی قرار می‌گیرند عبارت‌اند از:

الف) پل‌های فولادی

ب) آرماتورها در سازه‌های بتنی

ج) ساختمان‌های با قاب خمشی فولادی

ملاحظات طولانی مدت

ایالات متحده باید به طور جدی آیین نامه‌های طراحی ما را بررسی کند تا این موضوع مرتبط را در فرایند طراحی وارد کند. در حال حاضر، راهنمایی بسیار کمی وجود دارد. آیین نامه‌های پل (AASHTO) دارای برخی از الزامات مورد نیاز برای تجزیه و تحلیل خستگی هستند، اما این‌ها به میزان پیچیدگی و کارایی آیین نامه‌های اروپا نیست.

منبع

ترجمه شده توسط تیم مترجمین ۸۰۸

اگر دوست دارید به تیم مترجمین ۸۰۸ بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.