امروز:

كاربرد مكانیك شكست در طراحی سازه‌های بتنی

پاسخ مكانیكی عضو بتنی در برابر بار متأثر از ترك‌های موجود در آن است، وجود این ترك به دلایل ضعیف بودن بتن در مقادیر كشش است. از این‌رو علم مكانیك شكست در سازه‌ها كه ناشی از رشد و توسعه ترك است روش مناسبی برای طراحی است. با مكانیك شكست می‌توان به سئوالات زیر پاسخ داد. باقی‌مانده مقاومت سازه به عنوان تابعی از اندازه ترك چه مقدار است. اندازه طول ترك بحرانی برای بارهای بهره‌برداری چه مقدار است. چه مقدار طول می‌كشد كه یك ترك از اندازه اولیه خود به طول بحرانی برسد. اندازه درزها و ترك‌هایی كه می‌توانند قبل از بارگذاری در شروع عمر سازه در بتن وجود داشته باشند چه مقدار است. هرچند وقت یك بار سازه باید برای بررسی وضعیت ترك بازبینی شود.
در روش طراحی هم اكنون در آیین‌نامه‌ها از معیار تنش و كرنش استفاده می‌شود. اگرچه شروع ترك در زمانی است كه تنش به حد مقاومت ماده می‌رسد اما از نظر فیزیكی ادامه ترك و رشد آن زمانی امكان‌پذیر است كه انرژی مورد نیاز برای شكست ماده فراهم شود. بنابراین معیار شكست تنشی و یا كرنشی برای توصیف شكست سازه كافی نمی‌باشد. و برای طراحی سازه باید از معیار انرژی استفاده نمود. در طراحی سازه‌های بتنی تاكنون دو تحول بزرگ رخ داده است، اول بین 1930-1900 كه در آن آنالیز الاستیك استفاده شده و امكان استفاده از تكنولوژی بتن در ساختمان فراهم شده و دوره دوم از 1930 به بعد كه وارد نمودن تحلیل پلاستیك در سازه بتنی است و اما انقلاب سوم وارد نمودن مكانیك شكست در طراحی بتنی است. متاسفانه هم اکنون با گذشت نیم قرن از تئوری مکانیک شکست صرفا در طراحی مصالح همگن و کاملا ترد مانند شیشه ویا مصالح شکل پذیر- ترد مانند فلزات استفاده می شود. استفاده از تئوری مکانیک شکست برای تمامی گسیختگی های ترد مطلوب می باشد. این گسیختگی ها عمدتا شامل برش و پیچش و گسیختگی سازه های بزرگ مانند سد ها و مخازن نیروگاه اتمی می باشد. مهمترین ملاحظه در تئوری مکانیک شکست بررسی اثر اندازه می باشد که در روش های طراحی جاری مطرح نشده است. بنابر این استفاده از مکانیک شکست در طراحی، ایمنی و قابلیت اطمینان سازه های بتنی را افزایش می دهد.

اثر اندازه  
همانگونه که بیان گردید مهمترین دلیل اهمیت استفاده از مكانیك شكست در طراحی سازه ‌های بتنی، توانایی وارد نمودن اثر اندازه در طراحی می‌باشد. مهمترین نوع اثر اندازه، كاهش مقاومت عضو به دلیل افزایش اندازه آن و افزایش انرژی شکست و چقرمگی شکست با افزایش اندازه نمونه می باشد. به صورت قراردادی برای در نظر گرفتن اثر اندازه، از سازه‌هایی با هندسه‌های مشابه و اندازه‌های متفاوت با اندازه مشخصه D استفاده می‌شود. نمونه‌ای از این سازه‌ها كه دو بعدی مدل شده مطابق شکل 6 و ضخامت آن   و طبق تعریف  مقاومت اسمی سازه در بار نهایی Pu است که به صورت زیر تعیین می گردد2. در این رابطه  ضریبی است كه نشان دهنده نوع سازه است.
بازانت چندین مطالعه بر روی بتن انجام داد و تعیین نمود که مقاومت اسمی مصالح به اندازه و هندسه آن وابسته می باشد. چندین دلیل برای چگونگی اثر اندازه در خصوصیات  بتن در مدل اثر اندازه او شرح داده شده است که عمدتا عبارتند از اثر دیواره و مرز ( اندازه سنگدانه و سطح خمیر) ، نرخ انتشار آب و گرما، گرمای ایجاد شده ناشی از هیدراسیون، حفرات و عیوب احتمالی و غیرو که همه موارد فوق در ادامه تشریح می گردند.
با ملاحظه اثر اندازه اساسا دو نوع تئوری متمایز مطرح می باشد.
1- تئوری مقاومت (Strength Theory)
2- تئوری مکانیک شکست ارتجاعی خطی (LEFM) 
در تئوری مقاومت، معیار گسیختگی، بر اساس تنش ها و کرنش ها بیان شده و بر اساس تئوری های الاستیسیته، پلاستیسیته و ویسکوپلاستیسیته تعیین می شوند. و در تئوری مکانیک شکست معیار گسیختگی بر اساس انرژی مصرف شده برای افزایش واحد طول ترک می باشد.
در تئوری‌های طراحی كلاسیك (روش مقاومت نهایی یا تنش مجاز)   مقدار ثابتی است (یعنی مستقل از اندازه سازه می‌باشد و همواره با آزمایش روی نمونه‌های كوچك آزمایشگاهی حاصل می‌شود). در شكل 7 نمودار   در مقابل log w رسم شده است.

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



نوشته شده در : پنجشنبه 8 شهریور 1397  توسط : عمران عمرانی.    نظرات() .

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