بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، خرابی در آزمایش برزیلی از دیدگاه تئوري مکانیک شکست مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است. بعنوان مرحله ابتدایی، تعدادي آزمایش برزیلی با پارامترهاي مختلف - تغییر در هندسه نمونهها و سرعت بارگذاري - بر روي نمونههاي سنگی انجام گردید و همچنین براي تعیین مقاومت کششی واقعی سنگ تحت آزمایش، از آزمایش کشش مستقیم استفاده شد. در ادامه و جهت تعیین اثر پارامترهاي مختلف در نتایج آزمایش برزیلی، نتایج این آزمایشها با یکدیگر و با نتایج حاصل از آزمایش کشش مستقیم، مقایسه گردیده و بهترین نتایج جهت استفاده در مدل تئوري، بوسیله دو معیار کمی و کیفی انتخاب شده است.
هدف نهایی در قسمت تئوري، مدلسازي آزمایشهاي برزیلی انجام شده، توسط "مدل ترك چسبنده" - یکی از مدلهاي تئوري مکانیک شکست - میباشد. براي رسیدن به این مهم، علاوه بر مقاومت کششی سنگ مورد استفاده که از آزمایش کشش مستقیم تعیین گردید، به دو پارامتر دیگر بنامهاي مدول الاستیسیته و بازشدگی اولیه ترك، نیاز میباشد. بدینجهت، آزمایش برزیلی در برنامه که قابلیت تحلیل بر مبناي تئوري مکانیک شکست را دارد، مدل گردیده و در تحلیل آن، از یک مدل مکانیک شکستی دیگر بنام "ترك نامعین چرخشی استفاده شد.
پس از این مرحله و با انجام آنالیز برگشتی بر روي مدل ساخته شده، مقادیر مربوط به دو پارامتر مورد نیاز براي مدل ترك چسبنده نیز تعیین گردیدند. در مرحله پایانی، نتایج حاصل از مدل ترك چسبنده با نتایج آزمایشهاي برزیلی مقایسه شده است. از این مقایسه میتوان، کارایی و انطباق خوب تئوري مکانیک شکست را در تحلیل خرابی در مواد نیمه ترد، نتیجه گرفت.
واژگان کلیدي: مکانیک شکست، آزمایش برزیلی، مدل ترك چسبنده، مدل ترك چرخشی، آزمایش کشش مستقیم، سرعت بارگذاري
مقدمه
جهت فراهم آوردن زمینه براي استفاده از تئوري مکانیک شکست در تحلیل و طراحی سازههاي سنگی، نخست باید این روش از نظر مبانی مورد بررسی قرار گرفته و سپس ابزارهاي تحلیلی مناسب براي استفاده از آن فراهم شود. در مرحله بعد باید به کمک روشهاي آزمایشگاهی و آزمونهاي ساده روي نمونههاي کوچک، کارایی این تئوري را محک زده و در صورت نیاز به اصلاح آنها اقدام گردد. این پژوهش نیز در راستاي مرحله نهایی، یعنی محک زدن تئوري مکانیک شکست بوسیله انجام آزمونهاي آزمایشگاهی میباشد.
از طرفی بدلیل اهمیت آزمایش برزیلی در تعیین مقاومت کششی بروش غیر مستقیم، سعی شد تا با انتخاب آن بعنوان آزمون آزمایشگاهی، از جهتی تئوري مکانیک شکست مورد ارزیابی قرار گیرد و از طرف دیگر به بررسی و مطالعه بیشتر آزمایش برزیلی پرداخته شود. در همین راستا، این مقاله را میتوان به دو قسمت اصلی تقسیم نمود. در قسمت اول به ارائه توضیحاتی پیرامون تئوري، مشخصات و نتایج آزمایشهاي انجام شده پرداخته خواهد شد و در قسمت دوم، به مدلسازي عددي آزمایش برزیلی بوسیله دو مدل مکانیک شکستی بنامهاي ترك چرخشی"و ترك چسبنده خواهیم پرداخت.
تئوري آزمایش برزیلی
در آزمایش برزیلی، نمونه دیسکی یا سیلندري شکل از دو طرف توسط صفحات موازي - فکهاي دستگاه آزمایش - تحت فشار قرار میگیرد. این صفحات میتوانند تخت یا منحنی شکل باشند. کلیه تحلیلها در تئوري این آزمایش با فرض نمونه همگن، ایزوتروپ و داراي رفتار خطی انجام شده است و رابطه زیر بعنوان رابطه اصلی در آزمایش برزیلی، جهت تعیین مقاومت کششی مورد استفاده قرار میگیرد: که در آن Pu بار نهایی وارد بر نمونه و D و t بترتیب، قطر و ضخامت نمونه میباشند.
این رایطه با فرض بار خطی - استفاده از صفحات بارگذاري تخت - بدست آمده است و در صورت اعمال بار سطحی، دچار مقدار کمی بیش تقریبی میگردد. همچنین در اثبات آن، رفتار نمونه تحت آزمایش در کشش و فشار یکسان فرض گردیده است در حالیکه چنین حالتی در سنگ و بتن صادق نیست. این نکته نیز باعث میشود، مقاومت کششی بیشتري را نسبت به مقاومت واقعی سنگ، پیشبینی کند. در همین راستا، معادلهاي براي تعیین ضریب کاهشی با توجه به نسبت مدول الاستیسیته در کشش به فشار ارائه شده است .
انجام آزمایشهاي برزیلی و کشش مستقیم بمنظور انجام آزمایشها در این پژوهش، از دستگاه استفاده گردید. این دستگاه بصورت خود کنترل بوده و میتوان نسبت به ثبت دادهها بصورت خودکار اقدام نمود. این اطلاعات که از جنس نیرو و تغییر مکان می باشند توسط سنسورهاي فک متحرك بالا - فک پایین ثابت میباشد - اندازهگیري میشوند. از این منحنیهاي نیرو تغییرمکان بعنوان نتیجه هر آزمایش در بخشهاي آینده استفاده خواهد شد.
بعنوان گام ابتدایی در این مرحله، تعدادي آزمایش برزیلی بر روي نمونههاي سنگی انجام گردید. جهت شناخت برخی عوامل موثر در نتایج آزمایش برزیلی، سعی شد تا این آزمایشها با پارامترهاي مختلف انجام گردند تا بتوان اثر این پارامترها را در نتایج مشاهده نمود و در نهایت، بهترین نتایج را براي استفاده در مدل تئوري انتخاب کرد. از اینرو آزمایشهاي برزیلی در 6 گروه متفاوت انجام شد و دو پارامتر ضخامت نمونه و سرعت بارگذاري، بعنوان پارامترهاي متغییر در این گروهها انتخاب گردیدند. در انجام این آزمایشها از سه سرعت بارگذاري 0/0002، 0/001 و 0/005 میلیمتر بر ثانیه و دو ضخامت 20 و 30 میلیمتر استفاده شد.
در این آزمایشها جهت کاهش تنشهاي مماسی، بجاي تماس مستقیم فکهاي اصلی دستگاه با نمونه، از بالشتکهاي فلزي کوچک و متناسب با ابعاد سطح تماس استفاده شد. به این ترتیب همراه با تمایل نمونه براي کرنش جانبی، این قطعات کوچک نیز تغییر شکل میدهند که این کار گامی موثر در کاهش تنشهاي مماسی است. همچنین براي ازبین بردن اثر ناهمواریهاي احتمالی موجود بر محیط نمونه در قسمت زیر بالشتکهاي فلزي و توزیع بهتر تنش در سطوح بارگذاري، علاوه بر سمباده زدن این سطوح، از صفحات مقوایی به ضخامت ./8 mm نیز استفاده گردید.
در این مرحله و پس از انجام آزمایشهاي برزیلی، تعداد 4 عدد آزمایش کشش مستقیم بر روي نمونههاي سنگی انجام پذیرفت. در این آزمایشها از نمونههاي استوانهاي به طول 200 میلیمتر و قطر 55 میلیمتر استفاده شد. هدف از انجام ایند آزمایشها، تعیین مقاومت کششی واقعی ماده سنگی بود و از این مقاومت کششی، جهت مقایسه با مقاومت کششی بدست آمده از آزمایش برزیلی، استفاده میشود.
همچنین مقاومت کششی یکی از پارامترهاي بسیار مهم در مدلهاي تئوري مکانیک شکست میباشد و در مدلهاي عددي استفاده شده در این پژوهش نیز، مقاومت کششی بدست آمده از آزمایش کشش مستقیم بکار میرود.
براي انجام یک تست کشش مستقیم صحیح، تعداد زیادي مشکلات تکنیکی وجود دارد که باید حل گردد، از جمله: هم مرکز بودن تمامی قطعات موجود در زنجیره بارگذاري - فک بالا، نمونه تحت آزمایش، فک پایین - ، ایجاد شرایط انتهایی مناسب جهت نمونه تحت آزمایش، ایجاد تنش کششی خالص در نمونه، جلوگیري از ایجاد خمش در آن و اتصال صحیح نمونه به فکهاي دستگاه.براي رسیدن به این منظور فکهاي کششی خاصی در آزمایشگاه طراحی و ساخته شد و جهت ایجاد تنش کششی خالص در نمونه، در هرکدام از فکهاي کششی از دو عدد مفصل خمشی استفاده گردید.
یکی از نکات موجود در انجام آزمایش کشش مستقیم، طریقه اتصال نمونه تحت آزمایش به فکهاي دستگاه میباشد. در این آزمایشها با استفاده از نوعی چسب رزین اپوکسی، نمونه به فکهاي بارگذاري متصل شد که این نحوه اتصال، ایدهآلترین حالت ممکنه میباشد. در مرحله آمادهسازي نمونهها نیز سعی شد تا سر وته نمونهها کاملا نسبت به یکدیگر موازي باشند، بدین منظور از دستگاههاي ویژه برشکاري فلزات با دقت 0/01 میلیمتر استفاده شد.
ارائه نتایج آزمایشها و بررسی آنها
چنانچه در بخش گذشته بیان گردید، آزمایشهاي برزیلی در گروه متفاوت انجام شد، که نمودارهاي نیروتغییرمکان حاصل از این گروههاي آزمایشی را در مشاهده میکنید. هر کدام از این نمودارها، میانگین نمودارهاي حاصل از آزمایش یکسان انجام گرفته در هر گروه آزمایشی میباشد. مشاهده میشود که نمودارهاي داراي پراکندگی زیادي میباشند، چرا که با توجه به ، این گروهها در دو پارامتر سرعت بارگذاري و ضخامت نمونهها، با یکدیگر متفاوت هستند. همچنین، بار پیک و مقاومت کششی متناظر با هر کدام از نمودارهاي گروههاي آزمایشی، است.
