با مفهوم خستگی در سازه‌های فلزی آشنا شوید؟
فرسودگی و خرابی، سرنوشت اجتناب‌ناپذیر پیکره‌های فلزی و بتنی در مواجهه با بارگذاری‌های مکرر است. در این میان، پدیده‌ای به نام خستگی به عنوان یک تهدید جدی مطرح می‌شود که ریشه در عوامل گوناگونی دارد و لازم است مهندسان پیش از آغاز هر پروژه ساختمانی، این مسئله را در محاسبات خود لحاظ کنند. در مقاله پیش رو، ضمن بررسی پدیده خستگی در سازه های فلزی و بتنی، روش‌های سنجش و تدابیر کاهش اثرات آن را مرور خواهیم کرد.
آنچه در این مقاله میخوانید
خستگی در سازه چیست؟
اعمال نیروهای متناوب و تکرارشونده بر سازه های فولادی و بتنی، به مرور زمان می‌تواند منجر به پدیده‌ای به نام خستگی شود. این پدیده مکانیکی، با تحلیل تدریجی مقاومت مصالح، احتمال شکست‌های ناگهانی را افزایش می‌دهد. به ویژه سازه‌هایی که در معرض بارهای پویا قرار دارند، نظیر پل‌ها و آسمان‌خراش‌ها، آسیب‌پذیری بیشتری نسبت به این اثرات مخرب نشان می‌دهند. در مورد فولاد، به دلیل استعداد آن در برابر خستگی و ایجاد ترک‌های ریز، انجام محاسبات و طراحی‌های بسیار دقیق امری حیاتی است. بتن نیز، با وجود پایداری قابل توجه در برابر فشارهای وارده، در مقابل بارگذاری‌های مکرر ضعف نشان می‌دهد و این امر می‌تواند طول عمر مفید سازه را به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش دهد.
حد خستگی
توانایی یک ماده در تحمل بیشترین میزان تنش متناوب، بدون آنکه پس از تعداد مشخصی از چرخه های بارگذاری دچار شکست شود، به عنوان حد توان خستگی شناخته می شود. به بیان ساده تر، بالاترین سطحی از تنش که می توان در طول تعداد معینی از سیکل های کاری و بدون ایجاد گسیختگی به ماده وارد کرد، استحکام خستگی نامیده می شود که مفهومی متمایز از خستگی کل سازه است.
این مقاله را حتما بخوانید: استحکام کششی در فولاد چیست؟
پارامترهای اثرگذار بر خستگی سازه
شرایط گوناگونی می‌توانند بر واکنش یک ماده یا جزء سازه‌ای در وضعیت‌هایی که به واماندگی و شکست ناشی از خستگی منتهی می‌شوند، اثرگذار باشند که در ادامه به بررسی آنها خواهیم پرداخت.
- مقدار و نوع تنش
افزایش میانگین تنش وارده بر یک عضو سازه‌ای، سرعت فرسودگی آن را تسریع کرده و در نتیجه، عمر مفید آن در برابر خستگی کاهش می‌یابد. در کنار میزان تنش، نوع آن نیز حائز اهمیت است. برای نمونه، مقاومت یک جسم در برابر خستگی ناشی از تنش‌های پیچشی، کمتر از مقاومت همان جسم در برابر تنش‌های عمودی است و زودتر دچار خستگی می‌شود. همچنین، پس از ایجاد یک ترک ناشی از خستگی، نرخ پیشروی آن به نوع تنش‌های موجود بستگی دارد؛ تنش‌های کششی تمایل به باز کردن و گسترش ترک دارند، در حالی که تنش‌های فشاری می‌توانند سرعت رشد آن را کم کنند.
- آهنگ بارگذاری تکرارشونده
در اغلب موارد، سرعت اعمال بارگذاری، تأثیر چندانی بر دوام قطعات در برابر خستگی ندارد؛ حداقل در فرکانس‌های زیر ۱۵۰ هرتز، این اثر قابل چشم‌پوشی است. با افزایش فرکانس، اندکی بهبود در مقاومت به خستگی مشاهده می‌شود، اما در بسامدهای بسیار بالا (تا حدود ۱۵۰۰۰ هرتز)، پایداری در برابر واماندگی ممکن است تا حدود ۱۰ درصد افزایش یابد و دیرتر دچار فرسایش شوند.
- شرایط سطح المان و مشکلات سطحی
کیفیت پرداخت نهایی سطح یک قطعه، نقش بسزایی در طول عمر آن در برابر خستگی ایفا می‌کند. همانگونه که پیشتر نیز اشاره شد، آزمایش‌ها گویای آن هستند که شکست ناشی از خستگی می‌تواند از کوچک‌ترین ترک یا نقص ساختاری در ماده اولیه آغاز شود. از این رو، وضعیت سطح اجزای سازه، تأثیر قابل توجهی بر میزان مقاومت نهایی در برابر بارگذاری‌های مکرر دارد. ناهمواری‌های سطحی یا وجود ساییدگی و خراش، می‌توانند نقاطی برای تجمع تنش باشند.
این مقاله را حتما بخوانید: با مفهوم تنش تسلیم فولاد آشنا شوید
از آنجایی که پدیده خستگی به شدت تحت تأثیر افزایش تنش موضعی قرار دارد، هرگونه تمرکز تنش می‌تواند روند فرسایش سازه را سرعت بخشد. میزان تحمل بارگذاری برای نمونه‌هایی با سطح صیقلی و پرداخت شده، به مراتب بیشتر از نمونه‌های نورد شده یا دچار خوردگی است. البته، اثر عیوب سطحی در تمامی مواد یکسان نیست؛ فلزات انعطاف‌پذیرتر، در مقایسه با فلزات شکننده‌تر، حساسیت کمتری نسبت به ایرادات سطحی نشان می‌دهند.
- آثار محیط
در صورت فراهم بودن زمینه برای فرآیند زنگ‌زدگی، نه تنها پایداری در برابر خستگی به شکل چشمگیری تنزل می‌یابد، بلکه سرعت فرسایش نیز شدت می‌گیرد. برخی از مواد، مانند تعدادی از فولادها، در محیط‌های فعال از نظر شیمیایی، فاقد آستانه تحمل خستگی هستند (همانند آلومینیوم و مس) و حتی در سطوح بسیار پایین تنش نیز، احتمال شکست ناگهانی وجود دارد. در مقابل، کاهش دمای محیط پیرامون، معمولاً منجر به افزایش مقاومت در برابر خستگی می‌شود. علت این امر، فشردگی ساختار ماده و بسته شدن برخی از ترک‌های بسیار ریز است.
- طراحی سازه
اشتباهات محاسباتی در فاز طراحی یا وجود ایرادات مفهومی در نقشه ها می تواند، زمینه ساز افزایش احتمال خستگی در سازه ها گردد. از این رو، متخصصان طراحی سازه می بایست با دقت فراوان به جزئیات اجرایی و نقاطی که امکان تجمع تنش در آنها وجود دارد، توجه نمایند.
فرآیند وقوع خستگی در سازه های فلزی و بتنی
بررسی قطعاتی که در اثر تحمل بارهای مکرر دچار شکست شده‌اند، آشکار می‌سازد که نقطه شروع این نوع شکستگی می‌تواند یک نقص بسیار کوچک در بافت ماده باشد. با هر اعمال نیرو، این نقص جزئی، رشدی ناچیز را تجربه می‌کند. تداوم این اعمال نیرو سبب گسترش تدریجی این عیب در سرتاسر جسم می‌گردد تا جایی که مقطع سالم باقی‌مانده، دیگر قادر به تحمل بار وارده نبوده و شکست نهایی به صورت ناگهانی رخ می‌دهد. به این ترتیب، فرآیند خستگی را می‌توان در مراحل زیر خلاصه کرد:
۱- شروع خستگی
تحت تاثیر نیروهای متناوب، شکاف‌های بسیار کوچک در ساختار قطعه شکل می‌گیرند. احتمال پیدایش این شکاف‌ها در مناطق زیر بیشتر است:
- نقاط با تنش متمرکز: در قسمت‌هایی از قطعه که فشار به صورت موضعی افزایش می‌یابد، نظیر حفرات، زوایای تند و محل اتصال قطعات، احتمال شروع ترک‌های ناشی از خستگی بسیار زیاد است. این نواحی، کانون‌های اصلی برای ایجاد ترک‌های خستگی به شمار می‌روند.
- نواقص ساختاری در مقیاس میکرونی: ایرادات بسیار ریز در ساختار ماده، مانند ذرات خارجی، فضاهای خالی و ترک‌های اولیه نیز می‌توانند به عنوان مبدأ ترک عمل کنند.
۲-گسترش خستگی
محیط‌هایی که خاصیت خورندگی دارند، می‌توانند سبب ایجاد فرورفتگی‌های کوچک در سطح قطعه شوند که این فرورفتگی‌ها می‌توانند به عنوان نقاط گسترش برای ترک‌ها عمل نمایند.
۳- شکست سریع پایانی
با افزایش ابعاد شکاف، میزان تمرکز نیرو در نوک آن به شدت بالا می‌رود و این امر منجر به تغییر شکل دائمی ساختار ماده و در نهایت گسیختگی آن می‌گردد.
تست پدیده خستگی
برای انجام این بررسی، قطعاتی هم‌شکل از جنس ماده مورد مطالعه با مقطع گرد، اندازه معین، بدون هیچگونه نقص سطحی یا ترک اولیه و تحت شرایط یکسان انتخاب می‌گردند. در هر آزمایش، یکی از این قطعات بر روی دستگاه آزمایش قرار داده می‌شود. دستگاه، در قسمت بالایی قطعه، به سرعت نیروی کششی و در قسمت پایینی آن نیروی فشاری اعمال می‌کند.
سپس، قطعه توسط یک موتور گرداننده، ۱۸۰ درجه چرخانده شده و مجدداً نیروها به گونه‌ای اعمال می‌شوند که تغییرات نیروها بر روی قطعه، یک موج سینوسی کامل را ایجاد نمایند. این نیروهای متغیر تا زمان بروز شکست ناشی از خستگی ادامه می‌یابند. این فرآیند برای سایر قطعات نیز تکرار شده و نتایج آن به صورت یک نمودار ترسیم می‌گردد تا بتوان رفتار ماده را بر اساس آن تخمین زد.
پدیده فرسودگی در سازه‌های بتنی از اهمیت بیشتری برخوردار است؛ زیرا ساختار بتن مانند فلزات یکپارچه نبوده و از اجزای متعددی تشکیل شده است که ممکن است در زمان ترکیب به طور کامل به هم متصل نشده باشند. علاوه بر این، وجود هوا در مخلوط بتن، لرزش نامناسب و غیراصولی، پیوند ناکافی بین آرماتورها و بتن، همگی عواملی هستند که می‌توانند سبب ایجاد ترک‌های بسیار کوچک در نقاط مختلف بتن شده و سرعت وقوع پدیده خستگی را افزایش دهند.
نکات مهم برای کاهش خستگی
با درک عوامل کلیدی که منجر به فرسودگی در سازه‌ها می‌شوند، می‌توان اقداماتی جهت کاهش این پدیده انجام داد؛ در کنار این شناخت، روش‌های اجرایی دیگری نیز برای مقابله با خستگی وجود دارد. یکی از این روش‌ها، اعمال ضربه به سطح فلز است. جالب است بدانید که با کوبیدن سطح یک قطعه فلزی می‌توان طول عمر آن در برابر خستگی را افزایش داد! این فرآیند سبب ایجاد تنش‌های فشاری پسماند در لایه‌های بیرونی قطعه شده و به این ترتیب، از شکل‌گیری ترک‌های ناشی از خستگی جلوگیری کرده یا زمان بروز آن را به تعویق می‌اندازد.
فرآیندهای دیگری نظیر سخت‌کاری سطحی (مانند کربن‌دهی و نیتروژن‌دهی) و یا ایجاد لایه‌های محافظ الکتریکی خاص بر روی سطح قطعه نیز می‌توانند تنش‌های فشاری در لایه‌های سطحی ایجاد کنند و در نتیجه، باعث به تأخیر افتادن پدیده خستگی در آن عضو گردند.
جمع بندی
خستگی در سازه های فلزی یک پدیده مخرب است که در اثر بارگذاری های تکراری و نوسانی، حتی در سطوح تنش پایین تر از حد تسلیم، رخ می دهد. این فرآیند با تشکیل و گسترش تدریجی ترک های میکروسکوپی آغاز شده و در نهایت منجر به شکست ناگهانی سازه می گردد. عواملی نظیر دامنه تنش، تعداد سیکل های بارگذاری، هندسه قطعه، کیفیت ساخت و محیط می توانند بر عمر خستگی سازه های فلزی تأثیر بسزایی داشته باشند. در طراحی سازه های فلزی، در نظر گرفتن اثرات خستگی و به کارگیری روش های مناسب برای ارزیابی و کاهش آن از اهمیت ویژه ای برخوردار است تا از ایمنی و دوام سازه اطمینان حاصل شود.
