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.
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.
سازه های فلزی بر اساس میزان فشاره وارد شده به سازه به سه دسته تقسیم می شود:
گفتنی است میزان فشاره وارده در هر مرحله، بیشتر از مرحله قبلی است.
خستگی سازه فلزی از ابتدا تا انتها، مراحل مختلفی را طی می کند که در ادامه به بررسی آن ها می پردازیم.
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.
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.
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.
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.
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:
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:
طراحی سازه باید به دقت انجام شود چرا که شکل و ظاهر اتصالات سازه، نقش مهمی در ایجاد خستگی سازه ایفا می کند.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
هر چه مقدار فشار متوسطی که به سازه وارد می شود بیشتر باشد، خستگی زودتر رخ داده و عمر آن نیز کمتر خواهد بود.
بسامدهایی که تا 150 هرتز هستند تاثیری بر عمر خستگی ندارند. اما در بسامدهای بالاتر عمر خستگی زیاد می شود. اگر این مقدار تا 15000 هرتز افزایش یابد، استقامت خستگی تا ده درصد افزایش یافته و در نتیجه عمر خستگی طولانی تر می شود.
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.
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.
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.
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 3 از جدول 10-1-2-1 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.
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 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:
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:
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.
.png){kind=icon}
ورود / ثبت نام
