لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه:137
فهرست مطالب:
مقدمه
یکی از عمده ترین مسائلی که انسان از زمان ساختن ساده‌ترین ابزارها با آن مواجه بوده است پدیده شکست در اجسام می‌باشد و درواقع برای استفاده از مواد به صورت ابزارهای گوناگون باید مقاومت آنها را نیز می‌دانست. بنابراین به جرأت می‌توان گفت که علم مقاومت مصالح عمری برابر عمر تاریخ دارد. البته روند شناخت و برآورد مقاومت اجسام از روشهای تجربی و ابتدایی شروع شده و به روشهای کاملاً علمی قرن حاضر رسیده است.
علم مقاومت مصالح دارای شاخه‌های گوناگونی می باشد که رشد قابل توجهی داشته اند. یکی از شاخه های این علم با کاربرد زیاد و تحلیل علمی نسبتاً مشکل، مکانیک شکست می‌باشد. به توجه به لزوم بکارگیری مواد جدید و گوناگون در گستره وسیع تکنولوژی معیارهای نوینی در روش های طراحی را الزامی نموده است. در این میان علم مکانیک شکست مورد توجه خاصی قرار گرفته است.
مکانیک شکست به عنوان نظم مهندسی در دهه ۱۹۵۰ و توسط آقای Georg Rirwin در لابراتور تحقیقاتی ناوال (NRL) معرفی شد. درسالهای بعد در دهه ۱۹۶۰ مفاهیم مکانیک شکست طی تحقیقات مختلف در دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی گسترش داده شدند. اصول مکانیک شکست کاربردهای مختلفی در طراحی مهندسی شامل آنالیز شکست سازهای تردد و پیش بینی گسترش ترک خستگی ، دارند. با توجه به اینکه ۸۰ درصد شکست‌های ترد ریشه در گسترش ترک خستگی دارند استفاده از مکانیک شکست می‌تواند بسیارمفید باشد.
در این سیمنار سعی شده است اصول مفاهیم اولیه مکانیک شکست و کاربرد آن در روسازیهای بتنی به اختصار توضیح داده شود.
تاریخچه‌ای از مکانیک شکست
با پیشرفت تکنولوژی در عصر حاضر، پدیده شکست در اجسام از اهمیت بیشتری نسبت به گذشته برخوردار شد متلاشی شدن بسیاری از هواپیماها و فضاپیماها در طی دهه ای گذشته لزوم درک دقیق تری از مکانیک شکست در اجسام را در علوم جدید ایجاب می کند در واقع گسیختگی ناگهانی بسیاری از تجهیزات در سازه های صنعتی نه تنها عواق جانی ناگواری در پی دارد بلکه ضررهای چشمگیر اقتصادی را نیز مسبب می شود.
در طی سالهای پس از جنگ جهانی دوم پیشرفت های زیادی در مکانیک شکست حاصل شد ولی تا دانسته‌های زیادی همچنان باقی است و زمینه برای تحقیقات بیشتر فراهم می‌باشد.
تحقیقات اخیر نشان داده است که قیمت ضررهای ناشی از شکست های ناگهانی در ایالات متحده آمریکا در سال ۱۹۷۸ بالغ بر ۱۱۹ میلیارد دلار گردیده که در حدود ۴% تولید ناخالص ملی این کشور را تشکیل می‌دهد. این مطالعات پیش بینی نموده است که اگر تکنولوژی پیشرفته زمان حاضر در این صنایع استفاده می شد می توانست حدود ۳۵ میلیارد دلار و در صورت بهره گیری از نتایج و تحقیقات بیشتر در این زمینه، حدود ۲۸ میلیارد دلار دیگر صرفه جویی اقتصادی را در پی داشت.
توجه مکانیک شکست به جلوگیری از شکست ترد می باشد و به عنوان اصطلاح علمی کمتر از ۴۰ سال سابقه دارد هر چند که توجه به شکست ترد جدید نیست. باستانیان به این مساله توجه داشتند و برای جلوگیری از شکست سازه ها را به گونه ای طراحی می کردند که همواره در فشار باشند. بسیاری از سازه های مصریان، رومیان و ایرانیان باستان همچنان پابرجا هستند و از نظر علمی مهندسی جدید تحسین برانگیز می‌باشند. طراحی پل رومیان حالت قوسی داشته و باعث ایجاد تنش های فشاری در سازه می‌شدند. شکل قوسی در اغلب سازه‌های قدیمی ایرانی از قبیل سقف های گندبی نیز فراوان دیده می شود. با توجه به اینکه دانش مکانیک آن زمان محدود بود ساخت بناها با طراحی موفق مستلزم سعی و خطاهای بسیاری بوده است.
انقلاب صنعتی دگرگونی عظیمی در مواد به کار رفته در سازه ها بوجود آورد و آن استفاده از آهن و فولاد بود استفاده از فولاد در سازه های صنعتی این امکان را بوجود آورد که بتوان از قابلیت کششی مواد نیز استفاده کرد. با وجود این تغییر در مصالح گاهی منجر به شکست‌های پیش بینی نشده می‌گردید. یکی از معروف ترین حوادث از نوع فوق گسیختگی مخزنی در کارخانه قند بوستون بود که منجر به هدر رفتن دو میلیون گالن شیره قند، مرگ ۱۲ نفر و مجروح شدن ۴۰ نفر و ضایعات بسیار گردید که علت آن همچنان مبهم مانده است.
تحقیقات اولیه در مکانیک شکست
یکی از اولین تلاشها برای مطالعه مقاومت مصالح به صورت سیستماتیک توسط لئونارد داوینچی اعلام شده و بر روی مقاومت تیرها و سیم ها تحقیق کرد. او متوجه شد که مقاومت سیم ها با طول آنها نسبت عکس دارد.
گالیله در سال ۱۶۳۸ تحقیقاتی در زمینه مقاومت کششی انجام داد که آن را «مقاومت مطلق در برابر شکست» نامید و با انجام آزمایش بر روی مقاومت یک مبله نشان داد که مقاومت میله با سطح مقطع آن متناسب است و مستقل از طول می‌باشد.
.
.
۵-۴- ضریب قید پلاستیک
منطقه پلاستیک در حالت کرنش صفحه ای به طور قابل ملاحظه ای کوچکتر از حالت تنش صفحه ای است. علت آن ناشی از این واقعیت است که تنش موثر تسلیم در حالت کرنش صفحه ای بزرگتر از تنش تسلیم تک محوری است. تنش ماکزیمم در منطقه پلاستیک حالت کرنش صفحه ای می تواند تا سه برابر تنش تسلیم تک محوری افزایش یابد. نسبت تنش ماکزیمم به تنش تسلیم، ضریب قید پلاستیک نامیده می شود:
مقدار را می توان به عنوان تنش تسلیم موثر تعریف کرد. P.c.f. را می توان برای مسائل ترک در کرنش صفحه ای با قرار دادن در معیارهای تسلیم فون میسز (۱۷-۴) بصورت زیر نوشت:
پس از مرتب کردن معادله (۲۳-۴) نتیجه می شود.
با استفاده از معادله (۲۴-۴) می توان p.c.f. را در هر نقطه از منطقه اطراف ترک بدست آورد. از معادلات میدان تنش (۱۸-۴) نتیجه می شود که:
و در صحفه بوده و با در نظر گرفتن و با استفاده از معادله (۲۴-۴)، p.c.f.=3 خواهد شد. معیار تسلیم دیگری نیز نتایج مشابه خواهد داشت. در حالت تنش صفحه ای، p.c.f.=1 m=0 , n=1 می باشد.
ظاهرا تنش نرمال در صفحه در حالت کرنش صفحه ای می تواند تا سه برابر تنش تسلیم افزایش یابد. هنگام تغییر شکل پلاستیک، نوک ترک منحنی می شود. از آنجا که تنش عمود بر سطح آزاد وجود ندارد، در نزدیک نوک ترک به سمت صفر میل خواهد کرد. در این صورت شده یعنی حالت تنش صفحه ای برقرار می گردد، بنابراین و تنش در نوک ترک از تنش تسلیم فراتر نخواهد رفت. توزیع تنش نهایی در شکل (۱۲-۴) نشان داده شده است و در حالت کرنش صفحه ای، تنش از در نوک ترک به در فاصله نزدیکی از نوک ترک افزایش می یابد، این توزیع تنش با محاسبات المانهای محدود نیز مطابقت دارد.
شکل (a12-4) نشان می دهد که منطقه پلاستیک در صفحه y=0 برای حالت تنش صفحه ای ۹ بار بزرگتر از حالت کرنش صفحه ای است، (با شکل ۵-۴ مقایسه شود).
با دانستن ضریب قید پلاستیک، می توان ضریب تصحیح منطقه پلاستیک را با روشی مشابه در بخش (۱-۴) بدست آورد. اگر تسلیم موثر در حالت کرنش صفحه ای باشد، تصحیح پلاستیک از معادله (۱-۴) بصورت زیر خواهد شد…
در عمل، حالت کرنش صفحه ای در سطح آزاد نمونه وجود ندارد و ضریب قید پلاستیک به مراتب کمتر از ۳ خواهد بود. ایروین مقدار را برای تصحیح منطقه پلاستیک بکار برد که معادله (۲۵-۴) بصورت زیر ترمیم خواهد شد:
مقادیر بدست آمده با آزمایش برای ضریب قید پلاستیک بین ۵/۱ تا ۲ می باشد که نشان دهنده کاربرد عملی معادله (۲۶-۴) است. یک روش برای تعیین ضریب قید پلاستیک بدون استفاده از آزمایش بکار بردن تغییر مکان دهانه ترک COD می باشد. با استفاده از معادله (۸-۴) وقتی x=0 باشد، COD برابر است با:
از آنجا که برای حالات خاص معلوم می باشند، با اندازه گیری COD می توان p.c.f. را از طریق رابطه (۲۷-۴) به دست آورد. روشهای اندازه گیری COD در بخشهای بعدی مورد بحث قرار می گیرد.
۶-۴- اثر ضخامتدر بخشهای قبلی بحث گردید که ضخامت ورق تاثیر بسزایی در حالت تنش در منطقه نوک ترک دارد. برای حفظ حالت کرنش صفحه ای در قسمت عمده ای از نوک ترک، ضخامت ورق بایستی به اندازه کافی بزرگ باشد. برای بدست آوردن چقرمگی شکست یک ماده یعنی KIC در حالت کرنش صفحه ای، نمونه ای با ضخامت مناسب و متناسب با بایستی انتخاب شود. در نمونه نازک که اندازه منطقه پلاستیک در مقایسه با ضخامت کوچک نیست حالت تنش صفحه ای برقرار است. در این صورت می توان ضریب شدت تنش بزرگتری قبل از رشد ترک را مورد استفاده قرار داد. ضریب شدت تنش بحرانی برای رشد ترک معمولا با KC نشان داده می شود ولی در اینجا KIC برای رشد ترک در شیوه I مورد استفاده قرار می گیرد. وابستگی KIC به ضخامت در شکل (۱۳-۴) نشان داده شده است. پس از ضخامت مشخصی (BS) حالت کرنش صفحه ای غلبه کرده و چقرمگی به مقدار چقرمگی حالت کرنش صفحه ای، KIC می رسد و مادامی که B>BS است چقرمگی مستقل از ضخامت خواهد شد. به این ترتیب یک ضخامت بهینه وجود دارد (BO) که در آن چقرمگی به مقدار ماکزیمم خود می رسد این مقدار معمولا اندازه واقعی چقرمگی در حالت تنش صفحه ای در نظر گرفته می شود. در ناحیه گذاری بین Bo و Bs مقدار متوسط چقرمگی در نظر گرفته می شود.
.
.
.
کارآموزی در مورد اصول مفاهیم اولیه مکانیک شکست و کاربرد آن در روسازیهای بتنی
