مفهوم خستگی در اتصالات جوشی به صورت تصویری

خستگی در اتصالات جوشی:

در سازه‌های فولادی با اتصالات جوشی هنگامی که سازه تحت تأثیر بارهای متناوب با تعداد تکرار زیاد قرار گیرد ممکن است بدون اینکه تنش‌های ایجاد شده در آن از حد تنش‌های تسلیم و یا پلاستیک عدول نماید، در اتصالات سازه انهدام و شکست ایجاد می‌شود.

سازه‌هایی که به صورت دینامیکی تحت بارگذاری متناوب قرار گیرند پس از تحمل تعدادی سیکل بارگذاری در اجزا و اعضای سازه پدیده خستگی بروز می‌کند که ممکن است منجر به ایجاد ترک‌هایی در آن شود؛ بنابراین در سازه‌هایی مانند پل‌ها جرثقیل‌های سنگین در سازه‌های صنعتی و یا سازه‌هایی که در مجاورت باند فرودگاه‌ها که تحت تأثیر بارگذاری متناوب قرار دارند، می‌بایست معیار خستگی به عنوان یکی از ملاک‌های طراحی مورد توجه قرار گیرد.

فرآیند خستگی به نوع بار و سیکل‌های پرتکرار آن و همچنین به خواص مکانیکی فولاد و مشخصات فیزیکی آن از جمله ناپیوستگی در شکل مولکولی وابسته است.

در ادامه به تحلیل منحنی‌های طراحی بر اساس معیارهای خستگی و لزوم ملاک‌های آن در طراحی اتصالات جوش در عرشه پل‌ها اشاره خواهد شد.

مطابق تعریف، سیکل‌های پرتکرار در فرایندهای بارگذاری، باربرداری و بارگذاری مجدد باعث ایجاد خستگی در مصالح فلز جوش می‌شود.

این عمل می‌تواند یک روزه پروسه پرتکرار از فرآیندهای ذوب و انجماد در سیستم‌های حرارتی و برودتی باشد.

در برخی از مواقع، این پدیده تا خرابی و انهدام کامل اتصال تازه ادامه خواهد یافت.

به عنوان مثال ایجاد درز انبساط در عرشه پل شکل 1 فاصله‌ای است که می‌تواند تغییر شکل‌های کوچک طولی در امتداد محور المان را مهار و از فشار ناشی از برکنش و یا بلندشدن سیستم عرشه جلوگیری نماید.

نمایش درز انبساط [Exp.j] جهت کنترل
تغییر شکل‌های ناشی از حرارت و برودت در شاهتیر عرشه پل

برای بازبینی دیاگرام خستگی و اثرات ناشی از استحکام مکانیکی در فرآیندهای ناشی سیکل‌های پرتکرار بارگذاری، باربرداری و براگذاری مجدد، موارد را برای چند نوع فولاد که دارای مرغوبیت و کیفیت متفاوت هستند تحت بررسی قرار می‌دهیم.

فولادهای مورد آزمایش را در 3 حالت زیر تحلیل می‌کنیم.

1. بدون جوش (فلز مبنا)
2. وجود ترک (ناشی از ترک در اتصال جوش و یا ورقی که دچار پارگی شده است)
3. جوش سر به سر

دیاگرام تنش‌های خستگی – استحکام مکانیکی

برای فولادهای متفاوت در 3 حالت

همان‌گونه که در دیاگرام شکل 2 نیز نشان داده شده است در قطعه جوش‌شده قطعه 3 استحکام خستگی برای فولادها [St60 , St57 , St37] یکسان است.

این مورد برای اتصال جوش به عنوان محدودیت و ضعف محسوب می‌شود.

در واقع کلیه فولاد‌ها، علاوه بر کیفیت‌های متغیر بر روی محور خستگی در حالت وجود اتصال جوش دارای تصویر [f3] هستند و با افزایش مرغوبیت فولاد، تاثیری بر مقاومت خستگی آن مشاهده نمی‌شود.

نکته: استحکام خستگی در هر اتصال جوش، همواره معادل 1/3 استحکام کششی آن است.

باید دانست که در تکرار سیکل‌های بارگذاری، باربرداری و بارگذاری مجدد، حتی اگر تنش های ناشی از خستگی به مقدار تسلیم نیز نرسد، می‌تواند منجر به انهدام اتصال گردد.

این پدیده تقلیل مقاومت تحت تأثیر نیروهایی که دفعتاً تکرار می‌گردند را ساختگی مصالح و تنش‌های ناشی از آن را تنش خستگی می‌نامند.

شکل 3 چند نوع بارگذاری ناشی از خستگی را نشان می‌دهد.

پارامتر R که خارج قسمت نسبت تنش‌های MIN و MAX است در 3 حالت (1-)، (0) و (1+) تعریف شده است.

در  شرایطی که {R=-1} است، تنش‌های خستگی از نوع معکوس بوده که به آن بحرانی‌ترین بارگذاری ناشی از خستگی اطلاق می‌شود.

باید توجه داشت که تحت این شرایط مقاومت خستگی در مقابل این نوع از بارگذاری، کمترین مقدار خود را داراست.

انواع بارهای خستگی

چنانچه برای یک نوع از بارگذاری ناشی از خستگی مشخص که نسبت تنش‌ها {R} معلوم است، به ازای مقدار تنش حداکثر {Smax} در مقابل تعداد سیکل تناوبی نظیر انهدام (خرابی اتصال جوش در تیر ورق‌ها) یک منحنی همانند شکل زیر حاصل شده که به آن منحنی تنش تکرار {S-N) curvel)} اطلاق می‌شود.

لازم به تذکر است که هر منحنی تنش – تکرار مختص یک نوع بارگذاری خستگی است.

با در دست داشتن یک منحنی تنش – تکرار برای یک نوع بارگذاری ناشی از خستگی معلوم بودن تعداد دفعات (تکرار) بارگذاری، می‌توان مقاومت خستگی را تعیین نمود.

این منحنی اغلب بر روی کاغذ لگاریتمی ترسیم شده که در مقیاس کوتاه به یک خط مستقیم تبدیل می‌شود.

آزمایش‌ها نشان می‌دهند که در تکرارهای بالا (محدوده 10به توان5 *2) سیکل، منحنی تنش – تکرار رفته رفته به صورت افقی درآمده که در این حالت مقاومت خستگی به یک مقدار ثابتی که مستقل از تعداد دفعات تکرار است، می‌رسد.

به این مقدار ثابت، حد دوام مصالح می‌گویند.

در مقابل دفعات و تکرارهای کمتر از (10 به توان 5) سیکل، کاهش مقاومت عضو در اثر خستگی نسبت به حالت استاتیک بسیار ناچیز است.

با توجه به این که تعداد تکرار بارگذاری، فقط در طرح پل‌ها به دفعات بیش از (10 به توان 5) سیکل می‌رسد، بنابراین بررسی مسائل خستگی در طراحی پل‌ها بسیار حائز اهمیت است.

(10 به توان 5) سیکل معادل ۱۰ دفعه بارگذاری در هر روز برای مدت زمان ۲۵ سال و (10 به توان5 * 5) سیکل معادل ۵۰ دفعه در هر روز برای مدت ۲۵ سال و (10 به توان6 * 2) سیکل معادل ۲۰۰ دفعه در هر روز برای مدت ۲۵ سال است.

منحنی تنش تکرار

می‌دانیم که در آزمایش خستگی، عضوها و المان‌های باربر در عرشه پل، دفعتاً تحت بارهای هارمونیک قرار می‌گیرند.

نقاط مستقر بر روی منحنی تنش – تکرار (S-N) وقوع و یا عدم وقوع خرابی‌های ناشی از سیکل‌های خستگی را نشان می‌دهد.

در این مرحله به یافتن یک تابع ریاضی برای منحنی شکل 5 که آهنگ بارگذاری را تحت بارهای هارمونیک نشان می‌دهد، می‌پردازیم:

رابطه حاصل، همان معادله خط راست است که معادل با رابطه [y = ax + b] و منحنی (S – N) را تعریف می‌نماید.

فرض کنید اتصالات المان‌های تشکیل دهنده در سازه عرشه (Deck) بر روی سیستم تابلیه یک پل فولادی از نوع جوش باشند.

در این حالت با تعریف مقاومت زمانی برای جوش‌های شیاری می‌توان نوشت:

مقاومت زمانی در منحنی تنش تکرار [log S – log N]

در روابط زیر، {K} شیب خط زمان، [σα] تنش حد خستگی در تکرار (Nα) و [σb] تنش حد خستگی در تکرار (Nb) هستند.

نکته: ضریب ثابت [K] به مشخصات مکانیکی فلز مبناء و یا فلز جوش بستگی دارد.

این ضریب دارای طیف گسترده‌ای [k=0.13] برای جوش لب به لب و [k=0.18] برای ورق تحت بار محوری (کشش یا فشار) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بر روی نمودار شکل 7، [σmax] تنش حد بالا، [σmin] حد پایین و [σm] تنش متوسط یا تنش حد میانگین [σave] نامیده می‌شود.

در تشریح منحنی‌های نشان داده شده در شکل 7 از چپ به راست، با نوشتن معادلات تعادل و روابط تشابه مثلث‌ها داریم:

در این رابطه، σf تنش حد خستگی، σu تنش حد گسیختگی و R نسبت تنش‌های خستگی هستند.

در عرشه یک پل فولادی که شاهتیر‌های آن از {تیر ورق‌های} فولاد St37 است.

بر اساس آیین‌نامه ASTM تنش حد مجاز خستگی (در اتصال جوش لب به لب تیرورق‌ها) برای تعداد تکرار N=(10به توان6 * 2) مطابق زیر تعریف می‌شود:

تعریف تنش‌های متغیر و متناوب

این آزمایش بر روی یک اتصال جوش لب به لب (سر به سر) در قسمتی از تیرورق عرشه یک پل فولادی انجام گرفته است.

در نمایش شکل 8 منحنی S – R – N آمده است که در آن تنش خستگی و تنش زمانی با استفاده از تنش حد بالا (Smax)، تنش حد پایین (Smin)، تناسب تنش (R=Smax/Smin) و تعداد تکرار بار، نشان داده شده است.

همان گونه که در شکل 8 نیز مشاهده می‌شود؛ برای هر نسبت تنش، یک منحنی تنش – تکرار مختص آن وجود دارد.

در نتیجه برای بیان خلاصه نتایج ترکیبات مختلف نسبت تنش و سیکل بارگذاری از نمودار گودمن استفاده شده است.

باید دانست که شکل 8 که یک نمودار گودمن را در تحلیل نتایج آزمایش خستگی نشان می‌دهد، شکل اصلاح شده نمودار گودمن بوده که آیین‌نامه فولاد ایالات متحده [AISC] نیز از آن استفاده می‌نماید.

این دیاگرام در کتب اروپایی به منحنی موهر – کمرز موسوم است.

نمایش منحنی خستگی S-R-N بر اساس AISC/1978 برای فلز پایه و با حد تسلیم  برای جوش شیاری لب به لب کامل با ابعاد و ضخامت متغیر – نمودار گودمن

در نمودار فوق نسبت تنش‌ها (R) به صورت خطی که از مبدأ (O) عبور می‌کنند و تعداد تکرار به شكل خطوط مورب نشان داده شده‌اند.

حد بالای نمودار نیز تنش [0.60Fy] است.

به عنوان امثال در شکل 8 برای تکرار (10به توان5 * 2) سیکل و حالت تنش کاملاً معکوس، دامنه تغییرات تنش در محدوده [(+962.50∼-9625.50)kg/Cm²] است.

هم چنین چون خط مربوط به تکرار بزرگتر از (10به توان6 * 2) سیکل، خط [½+=R] را قطع نمی‌کند، لذا می‌توان اذعان داشت که بین نسبت‌های [½+∼1+] هیچگونه کاهشی در مقاومت المان به وجود نمی‌آید.

سؤال: اساساً مسائل خستگی دارای چه ویژگی‌هایی هستند؟ (در چه مواقعی با مسائل خستگی در اتصالات جوش مواجه می‌شویم؟

• تنش‌های وارده بسیار بزرگ و تغییر شکل‌های پلاستیک بروز نماید.
• تعداد تکرار سیکل‌های مداوم ناشی از بارگذاری، باربرداری و بارگذاری مجدد، خیلی زیاد باشد.
• دامنه تغییرات تنش بزرگ باشند.

دامنه تغییرات تنش، تفاضل جبری تنش حداکثر و تنش حداقل است.

چنان که می‌دانیم، هرگونه تغییر ناگهانی در سطح مقطع عضو، منجر به ایجاد تمرکز تنش و در نتیجه کاهش مقاومت خستگی خواهد شد.

این پدیده پاسخ مناسبی برای این سؤال است که چرا مقاومت خستگی در محل اتصالات، کمتر از نقاط دیگر است.

در ابتدا تصور می‌شد که علت شکست یک قطعه در نقطه اتصال تحت اثر بارهای ناشی از خستگی، وجود نقاط ضعف، یعنی جوش (یا هر نوع اتصال دیگری مانند پرچ یا پیچ) است؛ لیکن بعدها به دلیل انجام آزمایش‌های گوناگون مشخص گردید که دلیل شکست اتصال، همان تغییر ناگهانی سطح مقطع در این نقاط است.

مقایسه مقاومت‌های ناشی از خستگی برای فولادهای متفاوت

(الف)- تیر نورد شده (ب)- جوش لب به لب – شیاری (ج)- جوش صلیبی

بنابراین در تفسیر نتایج حاصل از این آزمایش‌های گوناگون مشخص گردید که دامنه تنش‌های قابل حمل در منطقه متغیر برای فولادهای مختلف، تفاوت چندانی با یکدیگر ندارند؛ یا به عبارت دیگر مقاومت خستگی فولادهای مختلف، برخلاف مقاومت گسیختگی (استاتیکی) اختلاف اندکی با هم دارند {شکل (الف)}.

این اختلاف با افزایش اثر شیار کمتر می‌شود {شکل‌های (ب) و (ج)}.

به طوری که در جوش صلیبی {شکل (ج)}، منحنی مقاومت خستگی ۳ نوع فولاد عملا [St60، St52، St37] عملاً بر روی هم منطبق‌اند.

نکته: در اشکال فوق، اثر شیار زخم از (الف) به (ج) افزایش می‌یابد.

در سازه‌هایی که اثر شیار در آنها قابل توجه است، فولادهای با مقاومت بالا {فولادهای اعلاء، فولادهای بسیار اعلاء و فولادهای دانه‌ریز} امتیاز مقاومتی خود را از دست می‌دهند؛ یا به عبارت دیگر کاهش مقاومت در اثر خستگی، برای فولادهای با مقاومت بالا تحت اثر شیار بیشتر است؛ یعنی کاهش مقاومت خستگی نسبت به مقاومت گسیختگی تحت اثر شیار برای فولاد مقاومت بالا بیشتر است.

• در آیین‌نامه‌های قدیم، نسبت تنش‌ها در تعیین خستگی‌های مجاز، ملاک محاسبات بوده است.[R=σmin/σmax]
• در آیین‌نامه‌های جدید، دامنه خستگی و تفاضل جبری تنش‌های Max و Min در تعیین خستگی‌های مجاز، ملاک محاسبات است.[D=σmax-σmin]

توصیه‎‌های لازم در طراحی اتصالات جوش تیرورق‌های فولادی در مقابل بارهای خستگی

1. تبدیل مقطع تیرورق از یک مقطع به مقطع دیگر به حالت تدریجی در اتصال باشد.
2. در اتصالات ورق‌های فولادی، سعی شود از اتصالات لب به لب یا جوش شیاری استفاده گردد.
3. حتی المقدور از اتصالات رویهم و یا استفاده از اتصالات جوش گوشه پرهیز نمود.
4. سنگ‌زنی (فرزکاری) گرده جوش لب به لب، مقاومت خستگی را افزایش می‌دهد، تا آنجا که با خصوصیات یک ورق یکپارچه مطابقت می‌نماید.
5. از هرگونه جوش اضافی، رویهم گذاری، عدم نفوذ کامل و ناصافی سطح جوش، اکیدأ خودداری شود.
6. از قراردادن جوش در محل‌های نرم اجتناب گردد.
7. جوشکاری‌های با طول جوش کوتاه بر روی ورق‌های نازک و با ضخامت کم در برابر بارهای خستگی، وضعیت بحرانی‌تری دارند. { A . W . S : Thickness ≤ 2.50cm }
8. سعی شود تا عضو سازه‌ای طوری واقع شود که نیروهای خستگی در امتداد نورد ورق عضو واقع گردند.
9. از ایجاد تنش‌های دو محوره و سه محوره در طراحی و اجرای اتصالات جوش در ورق‌های عرشه پرهیز گردد.
10. حتی المقدور از اعمال بارگذاری‌های توأم با خروج از مرکزیت در طرح اتصالات جوش عرشه خودداری گردد.

نکته اول: برای آنالیز تنش‌های ناشی از سیکل‌های خستگی در اتصالات جوشی، ۲ روش موجود است:

1. منحنی تنش – تکرار [S-N) curvel)]
2. روش پخش ترک [Crack growth Method]

نکته دوم: برای محاسبه اختلاف تنش‌های خستگی [ΔSiها]، با استفاده از نمودار تاریخچه زمانی تنش [S-N) curvel)] به یکی از روش‌های زیر عمل می‌کنیم:

1. بر اساس پیک Peak Counting
2. بر اساس دامنه (Counting Method – Range Counting)
3. بر اساس تنش – کرنش (Rainfall Counting)

توجه: k پارامتری است که در نتیجه آن، مدت زمان تدوام بارگذاری در سیکل‌های خستگی ناشی از بارگذاری، باربرداری و بارگذاری مجدد در یک دوره طرح، بر روی منحنی تنش – تکرار [S-N) curvel)] افراز می‌گردد.

کاری از گروه آموزشی استوارسازان