مقدمه
همان طور که می دانید سازه ها تحت شرایط متفاوتی دچار شکست و یا آسیب دیدگی می شوند که یکی ازاین عوامل خستگی در سازه است.
بارگذاري هاي موجود در طبيعت و سازه ها عمدتا دامنه اي متغيير دارند و در شرايط بارگذاري واقعي، بارگذاري خستگي با دامنه کرنش هاي ثابت کمتر اتفاق مي افتد. در اين نوشتار، به بررسی مباحث خستگی فولاد و بتن بر اثر بارگذاری میپردازیم.
خستگی در سازه
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. آزمایش‌های دقیق عضوهای سازه، نشان میدهد تنش بیشینه ای که سبب شکست المان میشود. در بسیاری از شرایط ازاستحکام تسلیم ماده کمتر است.
اگر تنش بیشینه در نمونه ای از یک ماده از حد الاستیک یا ارتجاعی آن ماده فراتر نرود. پس از آن که بار اعمالی از روی نمونه برداشته می شود. نمونه به شرایط اولیه خود قبل از بار گذاری باز می گردد. ممکن است این نتیجه گیری انجام شود که اگر بارگذاری بارها تکرار شود بازهم تنش در بازه الاستیک باقی می ماند. این نتیجه گیری هنگامی که بار گذاری ده ها بار یا صد ها بار تکرار شود صحیح است. اگر چه هنگامی که بار گذاری هزاران بار یا میلیون ها بار تکرار شود این نتیجه گیری صحیح نمی باشد. در این شرایط، گسیختگی در تنشی کمتر از مقاومت شکست استاتیکی رخ می دهد. از این مسئله می توان به عنوان خستگی یا fatigue یاد کرد. شکست ناشی از خستگی، حتی برای موادی که به صورت طبیعی شکل پذیر هستند، ماهیت ترد دارد.
برای هر آزمایش تنش بیشینه در محور عمودی و تعداد سیکل های بار گذاری در محور افقی ترسیم می شود.
به علت تعداد زیاد سیکل های بار گذاری مورد نیاز برای گسیختگی، تعداد سیکل ها یا n در مقیاس لگاریتمی کشیده شده است.
یک نمودار معمول (تنش-تعداد سیکل) برای فولاد در شکل زیر نشان داده شده است. دقت شود که اگر تنش اعمالی بیشینه زیاد باشد تقریبا با تعداد اندکی از سیکل های بارگذاری گسیختگی اتفاق می افتد.
همان طورکه مقدار بیشینه تنش کاهش می یابد، تعداد سیکل های بارگذاری که منجر به شکست می شود افزایش می یابد تا زمانی که تنش به مقدار مشخصی به نام حد استقامت (Endurance Limit) می رسد. حد استقامت تنشی است که در آن تنش، حتی برای تعداد نا محدودی از بارگذاری ها شکست اتفاق نمی افتد. برای فولاد کم کربن، چون فولاد سازه ای حد استقامت تقریبا نیمی از مقاومت نهایی فولاد است.
برای فلزات بدون آهن همچون آلومینیوم و مس، یک نمودار معمول sigma-n (مطابق شکل بالا) نشان می دهد که تنش گسیختگی شدن با افزایش تعداد سیکل های بارگذاری کاهش می یابد.
بارگذاری خستگی
پدیده خستگی فلزات، متداول تر بوده و بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد. 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.
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.
اگر بخواهیم خستگی در سازه را تقسیم بندی کنیم 3 دسته اصلی خواهد داشت:
- خستگی کم چرخه مثل: سازه هایی در معرض زلزله و طوفان
- خستگی چرخه زیاد مثل: پل ها، نیروگاه های بادی وروسازی فرودگاه
- خستگی چرخه بسیار زیاد مثل:سازه های دریایی و ساختارهای حمل و نقل سریع جرم
مراحل شکست خستگی
1.شروع ترک (جوانه زنی ترک)
ترک‌هایی بر اثر تنش‌هایی به مراتب پایینتراز تنش شکست ایجاد میشود که ناشی از لغزش است.
لغزش موجب ایجاد ساختاری لایه لایه میشود، که هر بیرون‌رفتگی و فرورفتگی نشان دهندهٔ یک سیکل کشش و فشار است.
این ترک‌ها ممکن است در قسمت‌هایی از ماده به خاطر نابجایی های موجود است. در این مرحله از شروع شکست خستگی ما شاهد شکست نوع دوم در ساختار میکروسکوپی ماده هستیم، شکل آن مانند سطح صدف است.
عوامل مؤثر بر جوانه زنی ترک خستگی
تاثیر دامنه بارگذاری (σ_a) :
با افزایش دامنه تنش، مرحله جوانه زنی کوتاه میشود.
تأثیر دما :
دما میتواند با توجه به مکانیزم جوانه‌زنی اثرات مختلفی داشته باشد. اگر جوانه زنی از نوارهای لغزش شروع شود، در این صورت افزایش دما لغزش را آسانتر کرده و انتظار میرود جوانه‌زنی سریعتر صورت گیرد.
اگر جوانه زنی از آخال‌ها و ذرات فاز ثانویه باشد، افزایش دما به نابجایی کمک می‌کند تا موانع را دور بزند یا صعود کند( بسته به نوع نابجایی).
بنابراین تمرکز تنش کم میشود و زمان جوانه زنی ترک افزایش می‌یابد.
تأثیر محیط :
بسته به این که محیط خورنده باشد یا نباشد میتواند اثرگذار باشد.
اگر محیط خورنده باشد، بدلیل به وجود آمدن حفره در اثر خوردگی و تمرکز تنش درحفره‌ها، مرحله جوانه‌زنی سریعتر رخ میدهد.
تأثیر سطح قطعه :
در مورد سطح قطعه چندین پارامتر را می‌توان بررسی کرد:
تنش پسماند:بسته به اینکه کششی باشد یا فشاری، اثرات متفاوتی خواهد داشت. اگر کششی باشند، مضر هستند و جوانه زنی را تسریع می‌کنند. اما اگر فشاری باشد سرعت جوانه زنی را کاهش می‌دهند.
لایه‌های سطحی:ا
اکثر پوشش‌ها و لایه‌های اکسیدی باعث به وجود آمدن تنش‌های کششی در سطح میشود که باعث کاهش زمان جوانه زنی میشود.
اما فرایندهای سخت کاری مانند کربن‌دهی و نیتروژن‌دهی میتواند مرحله جوانه‌زنی را به تعویق بیندازد.
2.رشد ترک
در مرحلهٔ رشد، ترک عمود بر تنش اعمالی رشد می‌کند، در این مرحله نوغ شکست از نوع دو به نوع یک تغییر می‌کند.
در این مرحله ترک‌های اولیه به قدری رشد کرده‌اند که بتوانند با تمرکز تنش قابل قبولی در یک جهت خاص و آن هم عمود بر تنش اعمالی رشد کنند.
3.- شکست نهایی ماده
به دلیل رشد زیاد ترک، آنقدر تمرکز تنش بالا میرود که موجب تغییر شکل پلاستیک ماده و شکست نرم در ماده میشود. در حقیقت ماده دچار پارگی میشود در این مرحله شکست ترد رخ میدهد. علی‌رغم این که ممکن است ماده ترد نبوده باشد.
عوامل موثر بر خستگی در اتصالات جوشی
1-شکل اتصال
2-عیوب جوش
3-تنش های پسماند
4-نوع ماده
5-عملیات حرارتی بعد از جوشکاری
فاکتور های کمک کننده به افزایش استحکام خستگی اتصالات جوشی
خستگی در اتصالات فولادی
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 می‌کنداز این رو تحلیل خستگی در اتصالات فولادی، اهمیت دوچندانی دارد.
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.
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.
خستگی در بتن
بتن برخلاف بسیاری از مصالح ساختمانی حتی قبل از قرار گرفتن در زیر بارهای خارجی دارای ریز ترک هایی می باشد. بنابراین در بتن، مقاومت به تنش مورد نیاز برای شکست آن گفته می شود. که در واقع مترادف با درجه گسیختگی است که در آن تنش وارده به حداکثر خود می رسد.
اگر یک عضو بتنی تحت بارهای متناوب و تکراری قرار گیرد، به طوری که هر کدام از آن بارها از مقاومت فشاری عضو کمتر باشد، ممکن است به ناگهان تحت باری کوچک تر از مقاومت عضو گسیخته شود؛ به این بار، بار خستگی و به مقاومت متناظر، مقاومت خستگی می گویند.
اصولاً مقاومت خستگی بتن فقط برای اعضای بتنی که تحت بارهای تکراری قرار می گیرند نظیر: پل ها و یا پی های بتنی مربوط به ماشین آلات ارتعاشی، حائز اهمیت می باشد.
نتایج
- 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.
