ساخت و ساز

مفهوم دقیق خستگی سازه فلزی چیست؟

هر چیزی که روی این کره خاکی وجود دارد، فانی است. خواه انسان باشد، خواه حیوان و یا حتی ساختمان و سازه ای فلزی باشد. تنها تفاوت شان در طول عمر و چگونگی از بین رفتن شان است. وقتی یک ساختمان با گذشت سال ها قدیمی و متحمل آسیب هایی می شود، به خستگی سازه فلزی مبتلا شده و در نهایتا فرو می ریزد. با ما همراه باشید تا در ادامه به طور مفصل به بحث خستگی سازه های فلزی بپردازیم.

خستگی سازه فلزی به چه معناست؟

هرچند که فولاد و فلزات قادر به تحمل وزن بالایی هستند، اما هنگامی به طور مداوم تحت فشار باشند، به مرور زمات دچار شکستگی خواهند شد. این شکستگی که به دلیل وزن زیاد ساختمان ها رخ می دهد، خستگی سازه فلزی نام دارد.

در واقع خستگی سازه فلزی عبارتند از شکست ماده به دلیل وجود نیروهای متناوب، کمتر از استحکام نهایی و کمتر از حد تسلیم.

خستگی سازه فلزی بدترین آسیبی است که می تواند در سازه روی دهد و عواقب بسیار بدی به همراه خواهد داشت. اگر این فشارها در طولانی مدتی اعمال شود، فلز دچار شکست نهایی شده و سازه از بین می رود.

از آن جایی که خستگی سازه فلزی در ساختمان سازی بسیار مهم است، مهندسین باید خطرات احتمالی که سازه را تحت تاثیر قرار می دهد بررسی کرده و اقدامات پیشگیرانه را انجام دهند.

سازه هایی همچون پل ها، اسکلت ساختمان و بدنه هواپیما و غیره بیشتر در معرض خستگی سازه فلزی قرار دارند. در نتیجه به این موارد بیشتر باید توجه و رسیدگی نمود.

خستگی سازه فلزی

انواع خستگی سازه فلزی

سازه های فلزی بر اساس میزان فشاره وارد شده به سازه به سه دسته تقسیم می شود:

  • خستگی چرخه ضعیف
  • خستگی چرخه قوی
  • خستگی چرخه بسیار قوی

گفتنی است میزان فشاره وارده در هر مرحله، بیشتر از مرحله قبلی است.

مراحل ایجاد خستگی سازه فلزی

خستگی سازه فلزی از ابتدا تا انتها، مراحل مختلفی را طی می کند که در ادامه به بررسی آن ها می پردازیم.

ایجاد ترک در سازه

در ابتدا فشارهایی که به سازه و قطعات فلزی آن وارد می‌شود سبب‌شده تا سازه تحت تأثیر آن ها سفت شود. سپس با تداوم این فشارها، سازه دچار ترک می شود. این ترک ها در ابتدا معمولا کوچک هستند و بیشتر در نقاطی از سازه ایجاد می شود که استحکام کمتر و فشار وارده بیشتری وجود داشته باشد.

گسترده شدن ترک های سازه فلزی

به مرور زمان، فشار بیشتری به سازه تحمیل شده و نهایتا ترک های کوچک به ترک های بزرگ و بزرگ تر تبدیل می شود. در این مرحله میزان آسیب پذیری سازه نیز بیشتر خواهد شد.

از هم پاشیدنِ سازه فلزی

زمانی که ترک ها بیشتر شوند سازه ضعیف تر گشته و به فروپاشی نزدیک خواهد شد. در این مرحله فشار بیشتری بر نقاط آسیب پذیرتر وارد می شود و نهایتا سازه مقاومت خود را از دست داده و شکستگی ایجاد می شود. این شکستگی همان خستگی سازه فلزی است.

فلزاتی که حاوی ماده آلومینیوم هستند، مقاومت پایین تری دارند. استفاده از این فلزات باعث می شود تا سازه خیلی زود تحت تاثیر فشارها قرار گرفته و از بین برود.

خستگی سازه فلزی

چگونگی جلوگیری از خستگی سازه فلزی

آیا می توان از خستگی سازه فلزی جلوگیری کرد؟ شاید نتوان به طور دائمی از این مشکل جلوگیری کرد؛ اما اگر مهندسین اقدامات لازم را انجام داده باشند می توان تا حدود زیادی آن را به عقب انداخت و یا خسارات وارده را به حداقل رساند. خستگی فلز ارتباط مستقیمی با تعداد چرخه های تنش متحمل شده توسط یک قطعه و سطح تنش وارده شده به آن دارد.

برای مقابله با خستگی سازه فلزی راه حل هایی وجود دارد از جمله:

استفاده از نرم افزارهای مربوط به تجزیه و تحلیل خستگی سازه می‌تواند میزان فشار وارد شده بر سازه را تعیین کرده و اندازه گیری نماید. در نتیجه نقاط ضعیف تر سازه که امکان وارد شدن فشار بیشتری بر آن وجود دارد را شناسایی نموده و اقدامات لازم جهت افزایش مقاومت آن و یا کاهش فشار آن نقطه انجام می شود.

یکی دیگر از راه حل های موجود، انتقال فشار حداکثری به نقطه ای است که مقاومت بالاتری نیز دارد.

همچنین می توان از مواد اولیه باکیفیت و مقاومت بالا در ساخت سازه استفاده کرد تا از وقوع زودهنگام خستگی سازه فلزی جلوگیری نمود. به عنوان مثال فولاد در مقایسه با آلومینیوم مقاومت بالاتری داشته و در نتیجه می تواند فشارهای بیشتری را نیز تحمل کند.

از دیگر روش هایی که می توان از خستگی سازه فلزی جلوگیری کرد عبارتند از:

  • استفاده از موادی که با چالش های اصلی محیط مورد نظر تناسب دارند. مثل مقاوم بودن در برابر خوردگی برای مناطق مرطوب، هدایت حرارتی بهتر یا بدتر و …
  • کاهش دادنِ حاشیه مربوط به خطا در مونتاژ و ساخت سازه.
  • در هنگام طراحی سعی نموده از گوشه های تیز خودداری شود. می توان برای کاهش سطح تمرکز استرس از شعاع های سخاوتمندانه استفاده کرد.
  • صاف کردن سطوحی که ماشین کاری شده‌اند.
  • تعیین کردن الزامات سخت گیرانه برای طراحی.
  • دوری کردن از تغییر هندسه یا منافذ زیاد در نقاطی که دارای فشار و تنش بیشتری است.
  • مدنظر قرار دادنِ تقارن و سادگی طراحی.
  • دقت داشته باشید که هر چند پرچ ها نگهداری کمتری نیاز دارند اما دوام پیچ و مهره ها را ندارند.
  • تغییرات شدید یا مکرر دما را کنترل کرده و سعی نموده از موادی با عدم تطابق کمتر ضرایب انبساط حرارتی استفاده شود.
  • از قطعات در برابر اشعه ماوراء بنفش و دیگر موارد مضر حفاظت شود.
  • از تعمیر و نگهداری مرتب غافل نشوید.

خستگی سازه فلزی

عوامل ایجاد خستگی سازه فلزی

 به غیر از نوع فلز به کار رفته در سازه فلزی، عواملی دیگری نیز وجود دارد که می تواند منجر به خستگی سازه فلزی شود:

چگونگی اتصال سازه

طراحی سازه باید به دقت انجام شود چرا که شکل و ظاهر اتصالات سازه، نقش مهمی در ایجاد خستگی سازه ایفا می کند.

مشکلات مربوط به جوش، در سازه های فلزی

قطعات فولادی با عملیات جوش به هم متصل شده و اسکلت ساختمان را می سازد. اگر فرایند این عملیات به خوبی طی نشود، مقاومت سازه کاهش خواهد یافت و سازه دچار خستگی می شود.

برای جلوگیری از این آسیب، نقاط جوش باید در محل دقیق و مناسب انجام شده باشد و این کار نیز با دقت و به درستی صورت گرفته‌باشد.

مواد استفاده شده در سازه فلزی

خستگی سازه فلزی ارتباط مستقیمی با فلزات، مواد و آلیاژهایی دارد که در آن به کار رفته‌است. مثلا استحکام فولاد از آلومینیوم بیشتر است، در نتیجه سازه ای که با فولاد ساخته‌شده استحکام بیشتری نیز خواهد داشت.

تأثیر گذاری عوامل محیطی بر سازه فلزی

عوامل محیطی تا حد زیادی می تواند در مقاومت سازه و خستگی سازه فلزی نقش داشته باشند. سازه هایی که در آب و هوای مرطوب قرار دارند و یا اینکه در مجاورت آب شور دریا هستند، مقاومت کم تری داشته و زود به خستگی سازه فلزی دچار خواهند شد.

آزمایش خستگی سازه فلزی

برای آزمایش خستگی سازه فلزی، نمونه هایی از ماده را که دارای شکل های یکسان، ابعاد مشخص، سطح مقطع دایره ای و بدون داشتن هیچ گونه عیب و ترک و دارای شرایط یکسان انتخاب می شود. در هر بار آزمایش، یکی از نمونه ها روی دستگاه مورد استفاده نصب شده و با کمک دستگاه تنش کششی در سطح بالا و تنش فشاری در سطح زیرین آن وارد می شود.

در مرحله بعد نمونه به وسیله موتور چرخنده نیم دور چرخیده و تنش ها مجددا اعمال می شود. به شکلی که تنش های وارد شده، دارای حالت سینوسی کامل باشند. این تنش ها تا زمانی که شکست ناشی از خستگی ظاهر شود، ادامه می یابد.

بعد از اینکه بر روی نمونه های دیگر نیز این آزمایش انجام شد، نمودار مربوط به آن رسم می شود تا بتوان بر اساس آن رفتار سازه را پیش بینی نمود.

خستگی سازه فلزی

مقدار مقاومت خستگی فلز

بعد از آزمایش مربوط به خستگی فلز، می توان مقدار مقاومت خستگی فلز را به دست آورد. این آزمایش گرافی را تهیه می‌کند که نشان می‌دهد فلز آزمایش‌شده، چه میزان از فشار و تنش و چند دوره تکرار تنش بدون ایجاد ترک را تحمل کرده‌است.

دانستن مقدار مقاومت خستگی یک فلز، می تواند از آسیب های ناشی از خستگی آن جلوگیری نماید.

عوامل تأثیر گذار بر عمر خستگی سازه فلزی

عمر خستگی سازه فلزی یعنی زمانی که فشارها تکرار می شوند تا زمانی که سازه به فروپاشی کامل برسد. عواملی که بر عمر خستگی تأثیر دارند عبارتند از:

مقدار و نوع فشار وارده

هر چه مقدار فشار متوسطی که به سازه وارد می شود بیشتر باشد، خستگی زودتر رخ داده و عمر آن نیز کمتر خواهد بود.

آهنگ بارگذاری تکرار شونده

بسامدهایی که تا ۱۵۰ هرتز هستند تاثیری بر عمر خستگی ندارند. اما در بسامدهای بالاتر عمر خستگی زیاد می شود. اگر این مقدار تا ۱۵۰۰۰ هرتز افزایش یابد، استقامت خستگی تا ده درصد افزایش یافته و در نتیجه عمر خستگی طولانی تر می شود.

شرایط مربوط به سطح المان عیب های سطحی

شرایط سطحی قطعه تأثیر زیادی می تواند در عمر خستگی سازه فلزی داشته باشد. چرا که خستگی ابتدا در مواد استفاده شده در سازه شروع می شود. بنابراین شرایط سطحی هر المان سازه، بر میزان استحکان آن تأثیر دارد.

همچنین اگر داری زبری سطح یا خراش های ریز باشد، می تواند منجر به آغاز ترک و ایجاد خستگی در آن نقطه شود.

قطعات حساسیت زیادی به افزایش تنش دارند و هر چیزی که منجر به افزایش فشار و تنش شود، عمر خستگی سازه را کم می کند. از همین رو استحکام قطعات صاف و جلا داده شده از نمونه های خورد شده یا نورد آن بالاتر می باشد.

عوامل محیطی

وجود رطوبت موجود در هوا باعث کاهش مقامت سازه در برابر خستگی شده و همچنین باعث افزایش آن و کاهش طول عمر خستگی خواهد شد.

موادی مانند مس و آلومینیوم حساسیت بیشتری به رطوبت دارند و زودتر دچار فروپاشی ناشی از خستگی سازه فلزی می شوند. اما در محیط هایی با دمای پایین، استحکام سازه بیشتر بوده و عمر خستگی نیز طولانی تر است. چرا که سردی هوا باعث انقباض سازه شده و از گسترش ترک ها جلوگیری می نماید.

خستگی سازه فلزی

عوامل کاهش دهنده اثرات خستگی در سازه فلزی

شناخت عواملی که سبب افزایش خستگی سازه فلزی می شوند، می تواند در کاهش آن نقش داشته باشند. ابتدا مواردی که در بالا ذکر شد را مد نظر قرار داده و اگر سازه در چنین شرایطی بود، سعی کنید آسیب وارده را کاهش دهید. از دیگر راهکارهای کاهش اثرات خستگی سازه فلزی، کوبیدنِ سطح فلز است. کوبیدن سطح فلزی باعث شده تا تنش ها و فشارهای پسماند در برخی لایه های سطحی ایجاد شده و از ایجاد ترک در سازه جلوگیری شود. در نتیجه عمر خستگی افزایش یابد.

انجام عملیات هایی مانند سخت کردن سطحی (کربن دهی و نیتروژن دهی) و یا ایجاد برخی پوشش های الکتریکی روی سطح فلز، نیز می تواند سبب ایجاد تنش های فشاری در لایه های سطحی شده و از گسترش ترک جلوگیری نماید.

آیین نامه های طراحی و خستگی سازه فلزی

خستگی سازه فلزی که بر اثر بارگذاری های تکرار شونده، ایجاد می شود بسیار با اهمیت است. از این رو در هنگام طراحی اجزای سازه باید به آن دقت کرد.

در ردیف ۳ از جدول ۱۰-۱-۲-۱ از بحث دهم مقررات ملی مربوط به ساختمان، کنترل گسیختگی سازه به دلیل خستگی از معیارهای مهم و لازم برای طراحی حالات حدی مقاومت است.

در این آیین نامه آمده است که اگر سازه تحت اثر بارگذاری تکرار شونده قرار داشته‌باشد، اعضا و اتصالات سازه را باید طوری طراحی کرد که مقاومت بالایی در برابر خستگی داشته‌باشد. ضوابط آئین نامه های معتبر بین المللی در طراحی این نوع از سازه ها ملاک هستند.

چرا توجه به خستگی سازه فلزی مهم است؟

خستگی سازه فلزی و شکست آن، تحت تاثیر تعداد زیادی از چرخه های بارگذاری است که در طولانی مدت ایجاد شده‌است. خستگی سازه در نهایت منجر به ریزش ساختمان می شود. بنابراین می تواند جان ساکنان آن را تهدید نماید.

 در ساختمان های قدیمی این اتفاق ممکن است بیشتر رخ دهد. هرچند توجه به موارد اثر گذار در خستگی سازه نمی تواند به طور کامل از ایجاد آن جلوگیری نماید اما تا حد زیادی مقاومت آن را بالا می برد.

خستگی سازه فلزی

چگونگی تشخیص خستگی سازه فلزی

خستگی جزء ویژگی های ذاتی فلزات است. هرچند امروزه با وجود آیین نامه ها و قوانین موجود به ندرت با پدیده خستگی سازه فلزی روبه رو می شویم اما آشنایی با روش های تشخیص خستگی سازه فلزی نیز ضرری ندارد.

اولین و مهم ترین روش تشخیص خستگی، بازرسی بصری است. وجود ترک ها و دیگر تغییر شکل ها نشان دهنده خستگی سازه است.

اما اگر هنوز به مرحله ایجاد ترک نرسیده باشد، می توان از روش های زیر استفاده کرد:

  • تجزیه و تحلیل نویز. فلزی که آسیب دیده‌باشد معمولا صدای خاصی ایجاد می کند.
  • بررسی اولتراسونیک و اشعه ایکس. خستگی سازه فلزی را می توان با اولتراسونیک و اشعه ایکس نیز تشخیص داد.
  • استفاده از رنگ های فلورسنت برای نمایان شدن ترک ها.
  • استفاده از پودرهای مغناطیسی.

مواردی که در معرض خطر خستگی سازه فلزی هستند

خستگی سازه فلزی، می تواند آسیب های جدی به سازه وارد نماید. در این بین برخی از سازه ها، بیشتر از دیگران در معرض این آسیب قرار دارند. مواردی همچون:

  • پل ها
  • تجهیزات مرتبط با قالب زنی فلزات
  • ساختمان ها
  • قطعات دارای لرزش بالا
  • و …

خستگی سازه فلزی

حرف آخر

خستگی سازه فلزی، یکی از مهم ترین و شایع ترین آسیب هایی است که به سازه ها وارد می شود. خستگی انواع مختلفی دارد که بر اثر عوامل گوناگونی ایجاد می شود.

خستگی سازه فلزی در ساختمان هایی قدیمی بیشتر رخ می دهد. این خستگی به مرور می تواند منجر به فروپاشی کامل ساختمان شود. از همین رو برای جلوگیری و کاهش آن، اقداماتی باید صورت گیرد.

در حال حاضر با توجه به گسترش ساختمان ها، پل ها و سازه های فراوان، خستگی سازه فلزی اهمیت زیادی یافته‌است. امروزه مهندسان به این مورد توجه بیشتری نموده و سعی می‌کنند با انجام آزمایش میزان مقاومت خستگی فلز را یافته و از سازه در برابر خستگی های زودهنگام جلوگیری نمایند.

گروه تحریریه املاک داران

هدف گروه تحریریه املاک داران همه سوالات شما را در حوزه املاک و ساخت و ساز پاسخگو باشد.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا