خستگی در پل ها
پل سازی
تعریف خستگی :
گاهی اوقات در اثر اعمال بار تناوبی (مثلاً یک بار کشش فشار) بر روی سازه، با اینکه تنش ماکزیمم ایجاد شده بر روی سازه کمتر از تنش نهایی آن است ، اما پس از اعمال تعدادی سیکل ، بر روی سازه ترک هایی ایجاد شده که در نهایت منجر به شکست می شود. این پدیده را خستگی در اثر اعمال بار تناوبی می نامند.
1
2
مقدمه:
پل ها به عنوان بخش مهمی از مهم ترین سازه های هر کشور از نقش بسیار مهم و کلیدی در اقتصاد، امنیت، قدرت دفاعی، توسعه و… کشور ها برخوردار می باشد.
هنگامی که یک پل به هردلیلی از سرویس دهی بیفتد، نبض ارتباطات در آن شاهرگ حیاتی از تپش می ایستد.
با افزایش عمر سرویس پل ها، به علت عدم قطعیت های موجود در عوامل محیطی و مکانیکی، خطای طراحی، ساخت و نگهداری و
3
همچنین افزایش غیرمنتظره ترافیک، ترک های ناشی از خستگی دراین سازه ها ایجاد میشود، از همین رو، عملکرد پل ها که به شدت تحت تاثیر خستگی قرار دارد، باید به دقت مورد بررسی قرار گیرد، که برای این منظور میتوان از قابلیت اطمینان خستگی استفاده نمود.
ایجاد ترک های ناشی از خستگی
4
90% موارد خرابی گزارش شده، به دلیل تغییر شکل ایجاد شده، بصورت غیر عمدی یا نادیده اگاشته شده، بواسطه برخی از اندرکنش های بین اعضای باربر یا سیستم های موجود در پل ها می باشد. جزئیات ناقص به همراه شکاف های سخت نشده و تغییرات ناگهانی در سختی اتصالات بین اعضا، را می توان علت ایجاد ترک های ناشی از خستگی خواند.
ایجاد ترک های ناشی از خستگی
5
ایجاد ترک های ناشی از خستگی
6
موسز و همکارانش به طور مفصل در مورد فرآیند ارزیابی و طراحی خستگی پل ها بر اساس سطح قابلیت اطمینان قابل قبول بحث و مطالعه نمودند.
در سال های اخیر آنالیز قابلیت اطمینان سازه ها به خوبی گسترش یافته است. تئوری قابلیت اطمینان سازه ها با تعیین و اندازه گیری احتمالاتی عملکرد سازه در حالت ایمن سروکار دارد.
برای ارزیابی قابلیت اطمینان سازه بایستی هم مقاومت (ظرفیت) و هم بارگذاری (تقاضا) تخمین زده شوند. ظرفیت خستگی پل ها و همچنین شرایط بارگذاری آنها بر اساس منحنی های S-N ارئه شده در مشخصات آشتو قابل محاسبه می باشند.
6
ارزیابی قابلیت اطمینان خستگی
7
ارزیابی قابلیت اطمینان خستگی
در ارزیابی قابلیت اطمینان خستگی دو پارامتر مهم بایستی در نظر گرفته شود :
8
آنالیز قابلیت اطمینان خستگی
9
10
رفتار خستگی اجزا سازه ای مختلف به کمک آزمایشات خستگی با سیکل های با دامنه ثابت ارزیابی و نتایج حاصل در قالب تنش اسمی اعمال شده و تعداد سیکل های بارگذاری لازم برای خستگی بیان شده است.
منحنی های S-N عموما در صفحات لگاریتمی ترسیم می شوند که نمونه ای از این منحنی ها در شکل زیر ارائه شده است.
log 𝑆
log 𝑁
log 𝑁 = log 𝐴 −𝑚 log 𝑆
11
با توجه به پراکندگی زیادی که در داده های خستگی مربوط به منحنی های S-N وجود دارد، می توان به عدم قطعیت موجود در مقابل خستگی سازه ها پی برد.
اما پراکندگی داده های مربوط به منحنی های S-N به تنهایی مشمول عدم قطعیت موجود در روش آنالیز S-N نبوده و می تواند شامل عدم قطعیت در بارهای وارد بر سازه، شرایط محیطی، خطاهای طراحی و … باشد.
بنابراین استفاده از آنالیز قابلیت اطمینان برای در نظرگرفتن این عدم قطعیت ها امری ضروری مینماید.
12
فولاد و نانو ذرات
13
خستگی مساله بسیار حساسی است که می تواند منجر به شکست فولاد در سازه های تحت نیروی سیکلی (مانند پل و برج ها) گردد. این موضوع می تواند در تنش هایی کمتر از تنش تسلیم مواد رخ دهد و در نتیجه عمر مفید سازه را کاهش دهد. افزایش تنش باعث شروع ترک و متعاقباً شکست خستگی می شود. تحقیقات نشان داده است که افزودن نانو ذرات مس باعث کاهش ناهمواری های سطح فولاد گشته و
در نتیجه ی آن تعداد تنش ها محدود شده و بنابراین ترک ناشی از خستگی کاهش می یابد. پیشرفت در این فناوری منجر به افزایش ایمنی، نیاز کمتر به نظارت و استفاده ی بهتر از مواد در ساخت و ساز های مستعد به مساله خستگی شده است.
تحلیل های طراحی
14
تعیین عمر باقی مانده اتصالات عرشه از نظر خستگی عملکرد لرزه ای مدل پل با دو روش ارزیابی براساس نیرو و عملکرد تعیین می شود.
برای ارزیابی رفتار لرزه ای غیر ارتجاعی پل ها از ارزیابی براساس عملکرد با استفاده از تحلیل بار افزون انجام می شود.