خوردگی چه تاثیراتی بر استحکام برشی مواد می گذارد؟

خوردگی تاثیر زیادی بر استحکام برسی مواد می گذارد. وقوع این پدیده مخرب می تواند مقاومت برشی مصالح ساختمانی را تا حد زیادی کاهش دهد. از این رو باید در هنگام طراحی و نگهداری سازه های آسیب پذیر نهایت دقت را به عمل آورد. استحکام برشی یکی از خواص مواد است که تقریبا مشابه استحکام کششی نهایی (UTS) است. این دو فقط در صفحه ای که کرنش در آن عمل می کند تفاوت دارند.

استحکام برشی نیز تابعی از تنش است، اما کرنشِ ناشی از این تنش، موازی با سطح (یا مقطع عرضی) عمل می کند. در حالی که کرنش کششی به شکل عمودی عمل می کند. در واقع در برش، ما دو سطح داریم که به جای این که از هم جدا یا به هم فشرده شوند، نسبت به یکدیگر حالت لغزندگی (Sliding) دارند.

کرنش برشی چیست و چگونه محاسبه می شود؟

بر خلاف استحکام فشاری و کششی که مفاهیمی کاملاً ساده هستند، تعریف تغییر شکل برشی کمی دشوارتر است. کرنش برشی مهندسی با زاویه تغییر شکل یعنی γxy تعریف می شود. همانطور که در شکل مشخص است، این زاویه مجموع زاویه های α و β است که نمایانگر جابجایی وجهِ مورد نظر در دو جهت ممکن است.

کرنش برشی چیست؟

در تصویر فوق می بینیم که زاویه های α و β به ترتیب تغییر نسبی در موقعیت خطوط AB و AC را نشان می دهند. خواهیم داشت:

محاسبه کرنش برشی

هنگامی که این  رابطه در قالب تانسوری توسعه یابد، ماتریسی کاملاً پیچیده حاصل می شود که از همه جهت به مقادیر γ نیاز دارد. با این حال، ما می توانیم تنش برشی را با استفاده از رابطۀ زیر محاسبه کنیم:

محاسبه تنش برشی

در این رابطه، G بیانگر مدول برشی ماده است.

حتی با وجود یک معادله مستقیم و سرراست، به دلیل ماهیت کرنش، برای ما دشوار است که پارامترهای مورد نیاز را در دنیای واقعی بدون استفاده از نتایج تجربی بدست آوریم. خوشبختانه، ما می توانیم مقادیر آزمایشی استحکام برشی را به سهولت پیدا کنیم. از آنجا معلوم می شود که برای اکثر مصالح ساختمانی مدرن، رابطۀ بین استحکام برشی و کششی تقریبا خطی است. بنابراین ما می توانیم چند مرحله را رد کنیم و استحکام برشی را مستقیماً با استفاده از تخمین های تقریبی که بین 0/65 تا 1/3 مقدار استحکام کششی برای اکثر مصالح ساختمانی است، تخمین بزنیم.

4
دقیــقه مطالعه

سرامیک ساختمانی

به حال دقت کرده اید با هر بار نگاه کردن به اطراف خود در خانه، محل کار، معابر عمو...

به عنوان یک قاعدۀ کلی، مواد شکل پذیر مانند آلومینیوم بیشتر در مواجهه با تنش های برشی شکست می خورند (مقاومت برشی آلومینیوم UTS0.65 آن است). در حالی که مواد ترد و شکننده اغلب در مصاف با کشش شکست می خورند.

بررسی یک مثال عملی: تاثیر خوردگی بر استحکام برشی میلگردهای فولادی

یکی از اصلی ترین مشکلاتی که مهندسان عمران در حال حاضر با آن روبرو هستند، خوردگی آرماتورهای فولادی است که تقریباً در تمام سازه های قدیمی دیده می شود. در این رابطه، پل ها از جمله سازه هایی هستند که معمولا دردسرهای زیادی برای مهندسین ایجاد می کنند. طبیعتا در این حالت، بیشتر آزمایش ها بر روی نمونه های میلگردی انجام می شود.

یکی از وظایف اصلی میلگردها در بتن، افزایش استحکام برشی تیر است. بنابراین طبیعی است که آزمایشات گسترده ای برای سنجش استحکام برشی این مقاطع انجام شود. این تست ها به خصوص برای مواردی که از میلگرد یا الیاف فولادی برای تقویت عنصر یا سازه بتونی استفاده شود، اهمیت بیشتری پیدا می کنند.

مقاله ای که توسط Waweru و همکاران نوشته شده است، تأثیر خوردگی را بر مقاومت برشی الیاف فولادی تقویت کننده به جای میلگرد نشان می دهد. از انجام این آزمایش ها، می توان نتایج متعددی را استخراج کرد که به برخی از آن ها اشاره می کنیم:

  • از انجام این آزمایش و تحقیقات دیگر، مشخص شده است که الیاف فولادی استحکام برشی بتن را افزایش می دهند.
  • اگر در یک فیبر مستقل، کمتر از 12.5 درصد خوردگی در حداقل قطر مشاهده شود، تأثیر بر ظرفیت برشی تیر بسیار ناچیز است.
  • از آنجا که تحقیقات بر روی نمونه های دارای خوردگی در نزدیکی ترک یا سطح متمرکز شده است، می توان فرض کرد که رفتار این سازه عملکردی مشابه با نمونه سالم داشته باشد.
  • اگر اجازه داده شود خوردگی بیشتر عمل کند و قطر الیاف فولادی را تا 50 درصد کاهش دهد، استحکام برشی 24% کاهش خواهد یافت! با این حال، بعید است این حالت شدید خوردگی در یک مورد واقعی رخ دهد، یعنی جایی که معمولاً خوردگی سطحی و نزدیک به ترک رخ می دهد.
  • نتیجۀ دیگر این مطالعه این بود که برای مقدار محدودی از خوردگی، پیوند و اصطکاک بیشتری بین الیاف فولاد و ماتریس بتن وجود دارد که ناشی از خوردگی در سطح است. با این حال، در سطوح بالاتر خوردگی این اثر حذف می شود. زیرا خوردگی یکنواخت می شود و این حفرات موضعی باعث تغییر هندسۀ فیبر می شوند. از این رو می توانند منجر به شکستن فیبر نیز شوند. این خوردگی غیر یکنواخت باعث کاهش قابل توجه مقاومت و دلیل کاهش قابل توجه مقاومت و شکل پذیری مواد می شود.
  • نتایج آزمون نشان داد که در مقادیر خوردگی برابر، کاهش های شدیدتری در شکل پذیری و چقرمگی در مقایسه با استحکام برشی وجود داشته است.

4
دقیــقه مطالعه

مدول برشی (Shear Modulus) چیست؟

مدول برشی معیاری است که نسبت تنش برشی به کرنش برشی را اندازه گیری می کند. این پا...

برای مقایسه، آزمایشات انجام شده توسط Suffern ، El-Sayed و Soudki نشان داد كه در نمونه های میلگرد، كاهش قابل توجهی در استحکام محض (Sheer Strength) مشاهده شد. این محققین در آزمایشات خود دریافتند که:

  • خوردگی منجر به از دست رفتن نسبتاً یکنواخت جرم در نمونه های رکابی (Stirrups) شد، اما کاهش جرم در دیگر نمونه ها بسیار متفاوت بود.
  • تمام نمونه ها علائم ترک خوردگی و از بین رفتنِ تماس با پوشش بتنی را نشان دادند.
  • از همه مهم تر، نتایج نشان دادند که همۀ نمونه ها کاهش استحکام برشی تا 53% درصد داشتند. نمونه هایی که کمترین نسبت دهانه به عمق (Span-To-Depth) را داشتند، بیشترین کاهش را نشان دادند.
  • شروع ترک های مورب در تیرها با نسبت دهانه به عمق 1.5 و 2.0 کمی کاهش یافت. اما رکاب های خورده شده، رشد ترک کمتری داشتند.

جمع بندی

اگرچه اثرات خوردگی بر اساس نوع عنصر مورد نظر متفاوت است، اما این مسئله انکار ناپذیر است که خوردگی می تواند مقاومت برشی ماده را تا حد زیادی کاهش دهد. به همین دلیل همیشه باید هنگام طراحی و نگهداری سازه های آسیب پذیر دقت کرد.

منابع

www.corrosionpedia.com

آیا مقاله برای شما مفید بود ؟
5/ raterateraterate
4
0 نظر ثبت شده

مطالب مرتبط

دیدگاه کاربران