مقاله تخمین عمر خستگی پل های فلزی اورتوتروپیک شهر تهران به کمک اندازه گیری میدانی

بخشی از مقاله

خلاصه

پلها گرههاي ارتباطی شریانهاي حمل و نقل محسوب می شوند و به این لحاظ از اهمیت خاصی برخوردار هستند. جایگزینی یک پل در شبکههاي 35 mm شهري اغلب بسیار مشکل و گاه غیرعملی میباشد. یکی از انواع آسیب دیدگی در پل هاي فلزي ترك ناشی از خستگی است که می تواند منجر به شکست ناگهانی و فاجعه آمیز پل گردد. از این رو بررسی عمر باقی مانده خستگی پل ها اهمیت می یابد.

در مقاله حاضر سعی شده است تا از طریق انجام آزمایش هاي کرنش سنجی در محل ، عمر باقیمانده خستگی تخمین زده شود و راهکارهاي مناسبی براي افزایش عمر ارائه گردد. به این ترتیب به کمک آزمایش کرنش سنجی، تنش هاي واقعی وارد بر پلها در یک بازه زمانی اندازه گیري شده، نتایج توسعه و نرمالیزه شده به روش پلگریم -ماینر با منحنی هاي - S-N - مقایسه شده است تا عمر باقی مانده خستگی به دست آید.

1.    مقدمه

پل ها نقش عمده اي را در سیستم حمل و نقل کشور ایفا می کنند. از طرفی این پل ها بعضا قدیمی بوده و بر اساس تخمین آیین نامه رفته رفته ، به عمر طراحی خود نزدیک می شوند . گاهی اوقات افزایش بار کامیون یا قطار و افزایش ترافیک موجب تسریع این روال می گردد. بنابر این ارزیابی عمر خستگی به منظور تخمین وضعیت فعلی پل ها و تصمیم گیري به منظور تعمیر، بهسازي یا برچیدن آنها امري ضروري به نظر می رسد.

استاندارد هاي مختلف روش هاي متفاوتی را براي طراحی خستگی پل هاي فلزي معرفی کرده اند که از میان آنها بهترین روش تعیین دامنه تنش وارده و از آنجا مقاومت خستگی عضو مورد نظر ، در اثر اعمال بارگذاري تناوبی می باشد. بارگذاري خستگی در آیین نامه هاي مختلف بسته به وزن کامیون طرح و ضریب ضربه دینامیکی که هر کدام لحاظ می کنند، متفاوت است. به همین دلیل دقیق ترین روش براي دستیابی به توزیع تنش هاي واقعی در اعضاي حساس در برابر خستگی، به دست آوردن کرنش در اعضاي مورد نظر از طریق اندازه گیري هاي میدانی است. این نوع اندازه گیري ها علاوه بر مقدار دقیق توزیع بار در عضو مورد نظر، اطلاعاتی در مورد الگو ،روند تغییرات و حجم ترافیک و وزن وسایل نقلیه را نیز در اختیار قرار می دهد.

در مطالعات خستگی سازه ها، مهندسین اغلب عمر خستگی پل را از طریق بارگذاري خستگی مبتنی بر مقادیر آئین نامه اي و تحلیل مدل هاي کامپیوتري به دست می آورند. این روش، به دلیل به کارگیري ضرایب اطمینان بالا، عموماً منجر به تخمین دست پائین عمر باقیمانده پل می شود. همچنین دامنه تنش هاي به دست آمده از اندازه گیري هاي میدانی معمولاً به میزان قابل توجهی کمتر از مقادیر محاسبه شده می باشد. این موضوع اغلب به دلیل در نظر نگرفتن نقش اعضاي فرعی و سیستم عرشه در باربري بروز می کند. از طرف دیگر اندازه گیري هاي میدانی میزان افزایش تنش هاي محلی در اثر خمش ثانویه در مفاصل، کاهش مقطع در اثر خوردگی و زنگ زدگی و سایر جزئیاتی که در مطالعات تحلیلی نمی توان آن را مد نظر قرار داد ، در ارزیابی عمر باقی مانده لحاظ می کنند.

بنابر این اگرچه اندازه گیري هاي میدانی در ابتدا امري پرهزینه و وقت گیر می نماید ولی در نهایت با تخمین دقیق عمر باقیمانده پل ها ارزش این روش هویدا می شود.

2.    معرفی روش ارزیابی خستگی از طریق اندازه گیري هاي میدانی

به منظور تعیین مقاومت خستگی اجزاي سازه پل ها غالباً از آئین نامه AASHTO 1990 آمریکا استفاده می شود که در آن بر اساس نتایج حاصل آزمایش هاي خستگی بر روي تعداد بسیار زیادي نمونه، منحنی هاي مقاومت خستگی - S-N - یا - تنش- تعداد سیکل - را براي جزئیات مختلف سازه اي ارائه داده است - شکل . - 1 این منحنی ها از A تا E' در مقیاس لگاریتمی طبقه بندي می شود که در آن گروه A مربوط به فلز مبنا بوده و بالاترین مقاومت خستگی را داردو E' مربوط به مربوط به بدترین جزئیات جوشکاري در عضو می باشد که کمترین مقاومت خستگی را داراست.

شکل – 1 منحنی هاي مقاومت خستگی - S-N -

در هر منحنی مقدار تنش آستانه خستگی1 یا - CAFL - تنشی است که از آن مقدار کمتر هیچ گونه ترك خستگی در عضو به وجو نمی آید. در جدول 1 مقادیر ثابت A و CAFL طبق آشتو 1990 خلاصه شده اند. منحنی هاي - S-N - به ترتیب زیر قابل تعریف هستند.

که پارامترهاي آن به صورت زیر هستنند:

: N تعداد دوره هاي منجر به شکست خستگی
: Sr تنش اسمی متناظر با تعداد دوره هاي خستگی - برحسب - MPa
: A مقدار ثابت براي هر گروه خستگی - برحسب - MPa3

در اندازه گیري هاي میدانی از طریق نصب کرنش سنج در نقاط حساس در برابر خستگی می توان تاریخچه کرنش واقعی را که اجزاي سازه در مدت اندازه گیري تجربه می کنند، به دست می آید. با استفاده از نتایج، محدوده تنش ها و تعداد دوره هاي تکرار آن ها تعیین می شوند.

جدول -1 مقادیر ثابت A و CAFL بر اساس AASHTO, 1990

نقاط حساس در برابر خستگی در وهله اول بر اساس تحلیل کامپیوتري و بر اساس بارگذار ي طرح - آیین نامه اي - معین می شود سپس به کمک مشاهدات میدانی نقاط زنگ زده یا ترك هاي احتمالی شناسایی شده و از مجموع این اطلاعات مکان چسباندن کرنش سنج ها مشخص می شوند.

به طور کلی جزئیات مستعد در برابر خستگی به صورت زیر قابل طبقه بندي می باشند:

•    جوش هاي اتصالی در نواحی کششی

•    صفحات تقویتی پوششی روي بال کششی

•    سخت کننده هاي طولی و عرضی

•    اتصالات جوشی ، پیچی و پرچی

امروزه روش هاي شمارش دوره خود موضوع تحقیق می باشند در زیر به برخی از این روش ها اشاره شده است:

1.    روش حد بالا: در این روش هر قله مثبت با حضیض منفی تقریبا برابر با خودش در نظر گرفته می شود.

.2    . روش حد پایین: در این روش هر قله با حضیض پس از خودش یک محدوده تنش به حساب می آید.

.3    . روش جریان بارشی:1  دقیق ترین و دشوارترین روش شمارش دوره است که براي اولین بار در سال 1968 توسط Endo and Matsuishi معرفی گردید. به طور کلی می توان نحوه جداسازي دوره هاي تنش را به سقوط قطره باران از سقف شیروانی تشبیه کرد.

شکل 2 به صورت شماتیک این روش را نشان می دهد.

شکل– 2 نمونه اي از شمارش سیکل ها به روش rain flow ، ASTM E 1049

پس از شمارش تعداد دوره ها هیستوگرام تنش، که بر اساس وقوع دوره هاي تنش می باشد، رسم می گردد.

براي استفاده از منحنی هاي - S − N - که بر اساس بارگذاري تناوبی با دامنه ثابت تعریف شده اند می بایست از روي محدوده هاي تنش به دست آمده یک تنش موثر به دست آورد.