خستگی در تیرهای فولادی چهارگوش توخالی

[rkiahoseyni]

مقدمه:
اعضای فولادی مقطع توخالی به عنوان اعضای سازه ای در پل ها، ساختمان های عمرانی، سازه های دریایی و حتی جرثقیل ها به کار گرفته شده اند. این اعضا اغلب تحت اعمال بارهای خارجی در حین سرویس خم می شوند و ممکن است به دلیل ساخت و ساز یا محیط های خشن دچار نقص ساختاری شوند. ترک خوردگی خستگی یک مشکل غالب برای سازه هایی است که در معرض بارگذاری های مکرر هستند. بنابراین، نیاز اساسی برای تکنیک‌های تعمیر وجود دارد که امکان توانبخشی راحت را فراهم می‌کند. با این حال، روش‌های جوشکاری یا پیچ و مهره سنتی شامل صفحات سنگین اضافی و کاربردهای دیگری است که منجر به نقص‌های حساس به خستگی می‌شود. 

استفاده از مواد پلیمری در پروفیل های چهارگوش:
در دهه‌های اخیر، مواد پلیمری تقویت‌شده با فیبر کربن (CFRP) به عنوان یک ماده تعمیری محبوب برای اعضای فولادی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. بررسی های قبلی نشان داد که عمر خستگی نمونه های تعمیر شده را می توان با روش های تعمیر CFRP بدون پیش تنیده زیاد کرد و حتی در نمونه های کنترل شده با استفاده از روش تعمیر CFRP پیش تنیده تا 21.5 برابر بیش از عمر اولیه نیز افزایش داد. 

تحقیقات انجام شده:
تحقیقات گسترده ای بر روی عناصر وصله شده CFRP پیش تنیده که تحت بارگذاری تک محوری قرار می گیرند، متمرکز شده است. همچنین توجه زیادی به عناصر سازه ای که در معرض لنگرهای خمشی قرار دارند، معطوف گردیده است. اکثر آنها بر روی تیرهای فولادی مقطع و تیرهای مقطع توخالی دایره ای تقویت شده با مواد CFRP صورت گرفته است. لینگهوف و همکاران آزمایش‌های خمشی چهار نقطه‌ای را بر روی تیرهای فولادی با سطح مقطع I تقویت شده با پیکربندی‌های مختلف ورقه‌های CFRP انجام دادند. در تحقیق آنها ظرفیت لحظه ای افزایش تحمل بار افزایش یافت. تجزیه و تحلیل المان محدود تیرهای فولادی نیز به عنوان یک مطالعه پارامتری برای ثبت رفتار نمونه‌های تقویت‌شده انجام شده است. تحقیقات تجربی همچنین اثربخشی تقویت CFRP را بر اعضای آسیب دیده CHS تحت خمش سه نقطه نشان داده است و عملکرد خستگی سیستم تقویت CFRP تحت بررسی قرار گرفته است. کلمبی و فاوا آزمایش های خستگی را بر روی 9 تیر فولادی ترک خورده هر کدام با مقطع I تقویت شده با صفحه CFRP را انجام دادند. در این تحقیق رشد ترک خستگی به تاخیر افتاد و عمر خستگی طولانی شد. جیائو و همکاران هشت تیر فولادی شیاردار تقویت شده با ورق های رشته ای CFRP را بررسی کردند. نمونه ها تحت بارگذاری خستگی قرار گرفتند و افزایش عمر خستگی حاصل شد. پس از مقایسه عملکرد خستگی با روش های مقاوم سازی سنتی، تقویت CFRP به عنوان یک راه ایده آل برای بازسازی تیرهای فولادی ترک خورده تایید گردید. در مطالعات فوق از شیار مصنوعی برای شبیه سازی درجه آسیب اولیه به جای جزئیات جوشی استفاده شد. هدف از بین بردن پراکندگی نتایج خستگی ناشی از جوشکاری است که می‌تواند باعث ایجاد تنش پسماند، انواع عیوب مانند منافذ، سوراخ‌ها، زیر بریدگی‌ها و ناحیه تحت تأثیر حرارت شود.

تکنیک از پیش تنیدگی:
تکنیک پیش تنیدگی اغلب برای تقویت تیرهای فولادی توسط صفحات CFRP برای بهره برداری از استحکام بالای آن استفاده می شود. والبریج و همکاران آزمایش های خستگی را بر روی تیرهای I تقویت شده با صفحات پوششی جوش داده شده انجام دادند. نتایج نشان داد که افزایش عمر خستگی قابل توجهی را می توان با اعمال نوارهای CFRP پیش تنیده به صفحات پوششی به دست آورد. تحلیل عددی با مدل مکانیک شکست برای پیش‌بینی عمر خستگی با نتایج معقول انجام شد. به دلیل پیچیدگی جزئیات جوش، عناصر فولادی شیاردار مصنوعی معرفی شدند. غفوری و همکاران تیرهای فولادی شیاردار I تقویت شده با CFRP پیش تنیده را بررسی کردند و روشی نظری برای محاسبه سطوح پیش تنیدگی در CFRP با کنترل ضریب شدت تنش در نوک ترک ایجاد کردند. CFRPهای پیش تنیده بیشتر برای افزایش مقاومت کمانشی تیرهای فولادی I با رویکردهای تجربی و عددی مورد استفاده قرار گرفتند. با توجه به تقویت اعضای ساختاری مقطع مستطیلی توخالی (RHS)، تحقیقات بر بارهای یکنواخت متمرکز شد، اما تحقیقات محدودی با مشکلات خستگی سروکار داشت. کاربرد میدانی با ورقه های CFRP پیش تنیده توسط Koller و همکاران گزارش شده است. یک آونگ فولادی ترک خورده تحت نظارت قرار گرفت و ترک های خستگی به مدت نه سال از انتشار بازماندند. به طور خلاصه، روش تقویت پیش تنیده CFRP برای اعضای فولادی با مقاطع باز و بسته موثر است.

تحقیقات قبلی بهبود عملکرد خستگی را با اعضای فولادی مقطع توخالی نشان می‌دهد. با این حال، برای بررسی بیشتر کاربرد CFRP پیش تنیده در این زمینه، تلاش‌های آزمایشی و عددی سیستماتیک مورد نیاز است. هدف از تحقیقات اخیر مقایسه بهبود عمر خستگی تیرهای فولادی RHS تقویت‌شده با CFRP با مدول‌های مختلف CFRP و سطوح پیش تنیدگی با سطوح غیرمقاوم ‌شده است. برای این منظور در ابتدا، شش نمونه تقویت شده تحت خمش خستگی چهار نقطه ای مورد آزمایش قرار می گیرند و نتایج با نمونه‌های شاهد تقویت نشده مقایسه می  گردد. متعاقباً، یک تکنیک شبیه‌سازی عددی برای مطالعه رفتار ترک خوردگی تیرهای فولادی RHS که تحت بارگذاری خستگی قرار گرفته‌اند توسعه داده شده و در برابر داده‌های آزمایش تجربی اعتبارسنجی می گردد.

گردآورنده: سید رحیم کیاحسینی