خستگی در میلگردهای آجدار

[rkiahoseyni]

مقدمه:

به دلیل وجود تنش های سیکلی در سازه های عمرانی، تیرهای بتن مسلح (RC) نیز همیشه در معرض خستگی قرار می گیرند. تحقیقات مختلف نشان داده است که تجمع آسیب منجر به توزیع مجدد تنش می شود. نکته مهم این است که اجزای یکسان تحت شرایط یکسان می توانند حالت های شکست خستگی متفاوتی داشته باشند که مکانیسم تخریب پیچیده را نشان می دهد. آزمایش عمر خستگی سازه‌های RC اغلب به آزمایش‌های تجربی که منحنی‌های S-N یا e-N را تولید می‌کنند متکی است. با این حال، این رویکرد اغلب پیشرفت غیرخطی آسیب خستگی را نادیده گرفته است. 

 

مکانیسم شکست خستگی:

رویکردهای مبتنی بر مکانیک شکست معمولاً بر انتشار یک ترک متمرکز بوده و نادرست هستند. برعکس، مطالعه مکانیسم‌های شکست خستگی میکروسکوپی از طریق مکانیک آسیب بسیار موفق بوده است. پدیدارشناسی ماکروسکوپی عمدتاً برای تعریف متغیرهای آسیب برای ساختارهای پیچیده و چند فازی RC استفاده می شود. با توجه به این، توسعه یک روش غیر مخرب که می تواند اولاً انتشار آسیب خستگی سازه های RC را در زمان واقعی نظارت کند و ثانیاً عمر خستگی باقیمانده آن را ارزیابی کند، حیاتی است. این به ویژه زمانی صادق است که رویکرد منعکس کننده روند آسیب میکروسکوپی باشد.
معمولاً شکست خستگی در تیرهای RC ناشی از شکست ترد میلگردهای فولادی تقویت‌کننده در بیشتر موارد در شکست خستگی خمشی یا شکست خستگی برشی است که اهمیت ویژه فرآیند خستگی در آنها را نشان می‌دهد. این نوع شکست باعث تخریب بتن و رشد ترک می شود. 

 

تحقیقات انجام شده بر روی خستگی میلگرد آجدار:

بسیاری از محققان بر روی خواص مکانیکی و عمر خستگی میلگردهای تقویت‌کننده که دارای بارگذاری چرخه‌ای همراه با خوردگی هستند، تمرکز کردند. با این حال، اندازه گیری مستقیم آسیب به ندرت برای میلگردهای تقویت شده در بتن انجام شده است. با توجه به ارتباط بین مغناطیسی و مکانیک در مواد فرومغناطیسی، توجه فزاینده ای به اثر مغناطیسی شده است. به طور خاص، اثر پیزومغناطیسی به تغییرات در خواص مغناطیسی اشاره دارد که مواد فرومغناطیسی تحت تأثیر نیروهای مکانیکی خارجی قرار می گیرند. برای مثال، ویلاری  اولین کسی بود که به طور سیستماتیک این اثر را بررسی کرد. این کار اولیه در درجه اول نشان داد که تنش های مختلف منجر به تفاوت در خواص القای مغناطیسی مواد فرومغناطیسی در یک میدان مغناطیسی معین می شود. تحت بارگذاری چرخه ای، فرآیندهای میکروپلاستیک منجر به جابجایی لغزش داخلی مواد می شود که باعث تغییر بافت، حفره ها، آخال ها و سایر عیوب آنها می گردد. آرایش ساختار حوزه فرومغناطیسی ارتباط نزدیکی با ریزساختارها دارد و همچنین به طور همزمان تغییر می کند. برای مثال، چرخش دامنه و جابه‌جایی دیواره‌های دامنه با مغناطش مرتبط با آن مشخص می‌شود، در حالی که سنجاق نابجایی مانع از این حرکات می‌شود. بنابراین، فرآیندهای تخریب خستگی مواد را می توان با تکامل میدان پیزومغناطیسی در مجاورت یک جزء فرومغناطیسی معین دنبال کرد. 

 

مراحل خستگی:

در طول عمر یک جزء مهندسی، فرآیند انباشته شدن آسیب خستگی معمولاً به سه مرحله تقسیم می‌شود:
 (الف) تطبیق اولیه - لغزش و تجمع نابجایی‌ها. 
(ب) افزایش آسیب - هسته‌زایی و رشد ریز ترک‌ها که منجر به ادغام ترک‌ها می‌شود. 
(ج) شکست ترمینال - تشکیل و انتشار یک ترک غالب که در نهایت منجر به شکست نهایی می شود. 
برای این منظور، Erber، Guralnick و Bao بارهای چرخه‌ای را بر روی نمونه‌های فولاد AISI 1018 اعمال کردند و سیگنال‌های پیزومغناطیسی متناظر آنها را ثبت نمودند. در مجموع، نتایج آنها نشان داد که حلقه‌های پسماند القایی-کرنش مغناطیسی در مقایسه با حلقه‌های تنش-کرنش حاوی اطلاعات قابل‌توجهی بیشتر در مورد آسیب خستگی هستند. این فرآیند را می توان به سه مرحله با درصد سیگنال پیزومغناطیسی تقریباً 10٪، 80٪ و 10٪ (عمر خستگی هر مرحله تقسیم بر کل عمر خستگی) تقسیم کرد. آزمایش‌های خستگی چرخه پایین توسط Vandenbossche و همچنین نشان داد که تکامل پارامتر مغناطیسی (μ0ΔM) با پارامتر مکانیکی (ε) سازگار است. با توجه به این نتایج، جین اخیراً به کاستی ها و کمبودها در هنگام مطالعه پیشرفت آسیب خستگی در سازه های RC با استفاده از روش های سنتی اشاره کرد. آنها یک روش آزمایشی جدید و غیرمخرب را بر اساس پیزومغناطیس میله های فولادی پیشنهاد کردند. از آنجایی که دستگاه های مغناطیسی برای این روش ضروری نیستند، برای شرایط میدانی و نظارت در زمان واقعی مناسب است. علاوه بر این، ابزار اندازه‌گیری میدان مغناطیسی کوچک با قابلیت تکرار و اطمینان کافی کار می‌کنند. با این حال، خستگی RC تنها به خستگی میله های فولادی و یا بتن مربوط نمی شود، بلکه با عملکرد رابط بین آنها نیز مرتبط است. در این رابط، ویژگی های سطح میله فولادی آجدار می تواند تأثیر زیادی داشته باشد.
به طور معمول، ریشه دنده عرضی در ساختار منبع انتشار خستگی است. این به دلیل تمرکز تنش در این ناحیه است. به طور همزمان، ساختارهای حوزه مغناطیسی مواد فرومغناطیسی با ویژگی های سطح مرتبط است که تحقیقات قبلی با استفاده از نمونه های استاندارد مورد توجه قرار نگرفته است. با در نظر گرفتن این موضوع، اکثریت قریب به اتفاق کارهای گذشته بر نفوذپذیری، حساسیت، اجبار، باقی ماندن و حلقه‌های پسماند نمونه‌های مغناطیسی زدایی شده در میدان مغناطیسی خارجی و تنش متمرکز شده‌اند. 

 

 

گردآورنده: سید رحیم کیاحسینی