سازه ‌های فلزی و بتنی در طول زمان به دلیل بارهای وارد شده بر آن‌ ها دچار آسیب ‌دیدگی یا شکست می‌شوند. یکی از آسیب ‌های جدی وارد شده به این نوع سازه ‌ها پدیده خستگی است که عوامل مختلفی بر آن تأثیر می ‌گذارند و باید قبل از احداث یک پروژه در هنگام طراحی سازه، در نظر گرفته شوند. ما در ادامه این مطلب به بررسی این پدیده، اندازه گیری آن و همچنین راه های کاهش این مورد خواهیم پرداخت.

پدیده خستگی در سازه چیست؟

به طورکلی، پدیده خستگی فلزات (Metals Fatigue) هنگامی اتفاق می‌افتد که فلز تحت تنش‌های نوسانی قرار گیرد که در نهایت منجر به شکست ناگهانی قطعه می‌گردد. با پیشرفت تکنولوژی و افزایش وسایلی از قبیل خودرو، هواپیما، کمپرسور، پمپ توربین و غیره که تحت بارگذاری سیکلی هستند، پدیده خستگی بیشتر متداول شد و می‌توان گفت که علت حداقل ۹۰ درصد شکست‌های ناشی از دلایل مکانیکی حین کار، پدیده خستگی می‌باشد.

مراحل خستگی فلزات

مراحل مختلفی در پدیده خستگی رخ می‌دهد که شامل سخت شدن و نرم شدن، جوانه‌زنی ترک، رشد ترک، رشد سریع ترک و شکست می‌باشند. این مراحل، به طور کامل در ادامه  مورد بحث قرار گرفته‌ است.

1- شروع ترک

در هنگام شروع ترک ‌ها در اثر بارگذاری‌ های تکرار شونده، ترک‌ های بسیار ریزی در بخش ‌های مختلف سازه ممکن است ایجاد شود. شروع این ترک‌ ها بیشتر در قسمت ‌های ناپیوسته و محله‌ هایی است که بیشترین تمرکز نیروهای تنشی در آن قسمت ‌ها وجود دارد.

۲- رشد ترک

سپس با هر بار تکرار بارگذاری، ترک ‌ها در جهت عمود بر جهت اعمال تنش رشد خواهند کرد و میزان گسیختگی افزایش پیدا می ‌کند.

۳- شکست نهایی

زمانی که رشد ترک ‌ها زیاد شود، تمرکز تنش نیز افزایش‌ یافته و باعث تغییر شکل پلاستیک ماده و در نهایت شکست آن می ‌شود. شایان ‌ذکر است شکست ناشی از پدیده خستگی در سازه ‌های فلزی برای برخی مواد مثل فولاد و آلومینیوم که ماهیت تردی دارند، خیلی سریع ‌تر اتفاق می ‌افتد. این حالت در آلومینیوم بیشتر مشاهده می ‌شود. به همین دلیل نمی ‌توان به ‌صورت گسترده از این فلز به‌ عنوان مصالح استفاده کرد.

انواع پدیده خستگی در سازه‌های بتنی و فولادی

انواع پدیده خستگی در فلزات شامل سه دسته زیر می‌ باشد:

خستگی چرخه کم

خستگی چرخه زیاد

خستگی چرخه بسیار زیاد

چگونه از خستگی فلز جلوگیری کنیم؟

راهکارهای مختلفی برای این کار وجود دارد؛ اما آنچه رایج است کوبیدن سطح فلزات و یکپارچه ‌سازی بتن ‌ها می ‌باشد. این کار باعث می ‌شود تنش ‌های پسماند فشاری که در برخی لایه‌ های سطحی ایجاد می‌ شود کاهش یابد. در نتیجه از ترک ‌های پدیده خستگی جلوگیری شده و یا حداقل در به ‌وجود آمدن ترک ‌ها تأخیر ایجاد می ‌کند. کار دیگری که می ‌توانیم انجام دهیم سخت کردن سطحی با کربن ‌دهی یا نیتروژن دهی است. همچنین می ‌توان پوشش ‌های الکتریکی روی سطوح فلزی ایجاد کرد.

عوامل موثر بر خستگی در اتصالات جوشی

1- شکل اتصال

در تحلیل خستگی اتصالات، هندسه و شکل اتصال از مهم‌ترین فاکتورهاست. هرچه هندسه اتصال پیچیده‌تر شود، استحکام خستگی کاهش می‌یابد.

2- عیوب جوش

عیوب جوش مانند هم‌راستا نبودن اتصال جوش، نفوذ ناقص، ترک، ذوب ناقص، تخلخلی و …، بر روی خستگی در سازه‌های جوشی مؤثرند. معمولاً هنگام جوشکاری، گازهای مختلفی مثل هیدروژن و اکسیژن و گازهای نجیب، در اثر حرارت در فلز پایه و الکترود نفوذ می‌کنند و باعث تخلخل در محل جوش می‌شود و باعث کاهش عمر خستگی می‌شود. در بند 10-2-9-2-1 مبحث دهم نیز، اشاره شده است که استفاده از جوش شیاری با نفوذ نسبی در شرایطی که بارگذاری‌های متناوب در اثر خستگی وجود دارند، مجاز نیست.

3- تنش‌ های پسماند

تنش‌های پسماند اثر قابل‌توجهی بر استحکام خستگی در سازه‌های جوش داده‌ شده دارند و به‌خوبی مشخص گردیده است که تنش‌های پسماند کششی اثر منفی بر خستگی دارند، درحالی‌که تنش‌های پسماند فشاری دارای تأثیر مطلوب بر خستگی‌اند. تنش‌های پسماند جوشکاری، می‌تواند احتمال شکست خستگی را افزایش دهد. بنابراین از بین بردن یا لااقل کاهش تنش‌های پسماند کششی، برای جلوگیری از شکست اتصال جوش داده‌شده، ضروری است.

4- نوع ماده

رفتار خستگی به میزان زیادی تحت تأثیر نوع ماده است. به‌ عنوان‌ مثال، استحکام خستگی سازه عضو ساخته‌شده از آلیاژهای آلومینیومی، در حدود 2.5 برابر کمتر از یک عضو فولادی است.

5- عملیات حرارتی بعد از جوشکاری

عملیات حرارتی پس از جوشکاری برای از بین بردن تنش‌های پسماند (تنش‌ زدایی) استفاده می‌شود. در این عملیات، بسته به ضخامت و جنس عضو اتصال داده‌شده، آن را تا دمای مناسب گرم می‌کنند و پس از مدتی آن را به‌ تدریج سرد می‌کنند. این عملیات، ترک‌ها و تخلخل‌های قبل از جوشکاری را بهبود داده و باعث می‌شود عمر خستگی افزایش پیدا کند.

6- اثر محیط

سازه‌های مهندسی به‌ طور کلی در معرض هوا، آب و یا آب‌های شور هستند. به‌ عنوان‌ مثال، آب‌های شور دریا و ترکیبات خورنده موجود در آن در سازه‌های ساحلی و رطوبت شدید هوا باعث کاهش عمر خستگی می‌شوند.

7- روند جوشکاری

روش جوشکاری غلط و غیراصولی، منجر به تمرکز تنش و ایجاد عیوب زیادی در جوش می‌شود و درنتیجه موجب جوانه‌ زنی و گسترش ترک‌های خستگی می‌شود. برای بهبود اتصالات جوشکاری شده راهکارهای مختلفی وجود دارد که بهبود جوش، کیفیت بالای ساخت و طراحی مناسب، از مهم‌ترین فاکتورها محسوب می‌شوند.