امروز:

مکانیک شکست انقلاب سوم در طراحی سازه ها

ایمان محمد پور نیک بین   
استادیار گروه عمران دانشگاه آزاد اسلامی واحد رشت و عضو انجمن بتن آمریکا

محمد مهدی قربانی
عضو هیات علمی موسسه آموزش عالی اندیشمند لاهیجان

معرفی علم مکانیک شکست
از ملزومات اساسی هر سازه این است که بایستی به گونه ای طراحی شود تا گسیختگی مکانیکی را از طریق هر یک از حالات گسیختگی (یا ترکیبی از آنها) تحمل نماید. این حالات عمدتا شامل ناپایداری ارتجاعی (کمانش)، تغییر شکل ارتجاعی بزرگ ( اغتشاش)، تغییر شکل پلاستیک (تسلیم شدگی)، ناپایداری کششی (باریک شدگی) و شکست می باشند. اکثر این حالات گسیختگی شناخته شده اند ولی شکست نیز که یکی از حالات گسیختگی فوق می باشد همچنان مورد مطالعه می باشد. معیارهای سنتی و متداول شكست که در اکثر متون مهندسی مطرح می باشند غالباً قادر نمی باشند شكست سازه را تحت تنش كمتر از مقاومت نهایی توجیه نمایند. مهمترین دلایل شكست و انهدام سازه ها ، گسترش ترك و نقص های اولیه موجود می باشد . علت وجود این ترك ها ، معایب ساخت و تولید سازه ها و بارهای وارده می باشد . این ترك ها دارای اندازه ها وشکل های مختلفی می باشند كه تحت بارهای گوناگون رفتار متفاوتی دارند  و از میان آنها  برخی گسترش یافته و باعث شكست می شوند. مثال هایی از شكست سازه ها  که در برخی موارد فاجعه بار بوده اند را می توان در سد ها، پُل ها ، مخازن ، مجاری تحت فشار ، كشتی ها ، هواپیما و ساختمان ها خصوصا طی زلزله دانست شکل های 1 تا 5. 

علم مکانیک شکست مجموعه ای از تئوری هایی است که به بررسی نحوه ترك خوردن جسم ، پاسخ سازه ترك خورده تحت بار وارده و خرابی در نتیجه رشد و توسعه ترك اولیّه می باشد. علم مكانیك شكست درباره نحوه ی ایجاد ترك صحبتی نمی كند و تنها به اثرات وجود ترك می پردازد. این دانش بطور چشمگیری درک مهندسی را از رفتار مصالح تغییر داده است. مکانیک شکست همانگونه که از نامش پیداست ترکیبی از مکانیک اجسام ترک خورده و خصوصیات مکانیکی می باشد. در ابتدا حالت خاصی در مكانیك شكست که در واقع ساده ترین حالت در این تئوری می باشد بر پایه ی نادیده گرفتن  ناحیه پلاستیک درنوك ترك استوار است منجر به مفهوم مكانیك شكست خطی (LEFM)  شد كه اولین بار در سال 1920 توسط  گریفیث  1 معرفی شده است. او بیان داشت که مصالح بر اساس حد اکثر تنش گسیخته نمی شوند بلکه بر اساس یک معیار انرژی معین گسیخته می شوند. گریفیث بطور ساده ای تئوری مكانیك شكست را بر اساس یك تعادل ساده انرژی پایه گذاری كرد. بر طبق تئوری گریفیث هنگامی که جسم ترک می خورد انرژی پتانسیل در آن جسم کاهش می یابد که این کاهش در انرژی پتانسیل در جسم تحت تنش در اثر گسترش ترک برابر است با افزایش انرژی سطح در اثر افزایش سطح ترک. البته او این مفاهیم را بر اساس آزمایشهایی بر روی شیشه بنا نهاد.

در جنگ جهانی دوم ، بدلیل افزایش سرعت ساخت كشتی برای مقاصد جنگی مهندسان آمریكایی اتصالات جوشی را بجای پرچی معرفی نمود. این كشتی ها به كشتی های آزادی معروف شدند. ولی كمتر از یكسال تعداد زیادی از آنها دچار شكست جدی شدند. بر اساس آمار گزارش نیروی دریایی در بیشتر حالات شكست در وسط كشتی رخ داده بود وكشتی ها به دو نیم تقسیم شده بودند. می توان گفت كه یكی از مزایای پرچ ، این بود كه وقتی یک ورقه فولادی دچار شكست می شد ، ترك در صفحه بعدی گسترش نمی یافت كه همین موضوع منجر به شكست كشتی آزادی شد چون از جوش ساخته شده بودند. 1 پس از قضیه كشتی های آزادی ، گروهی مهندس با سرپرستی Irwin 1  شروع به مطالعاتی نمودند. آنها تئوری گریفیث را كه برای مصالح كاملاً تُرد مانند شیشه صادق بود برای فلزات انعطاف پذیر گسترش دادند. آروین خاطر نشان كرد كه برای رشد  ترك علاوه بر انرژی سطحی بایستی انرژی لازم برای غلبه بر منطقه پلاستیک نوك ترك نیز فراهم شود. در نهایت مفهوم نرخ رهایی انرژی را عنوان نمود. آروین بیان نمود كه تنش و تغییر شكل در نوك ترك را می توان با عامل ثابتی كه با نرخ  رهایی انرژی رابطه مستقیمی دارد ارتباط داد. این عامل ثابت امروزه تحت عنوان ضریب شدت تنش شناخته می شود. لازم به ذکر است که این تئوری در حقیقت تعمیم تئوری گریفیث بود. در ادامه تحقیقات بیشتر معطوف به ناحیه  پلاستیک نوك ترك شد. 


نوشته شده در : دوشنبه 5 شهریور 1397  توسط : عمران عمرانی.    نظرات() .

شبکه اجتماعی فارسی کلوب | Buy Website Traffic | Buy Targeted Website Traffic