خستگی بتن چیست و در چه سازه هایی اهمیت دارد؟

خستگی بتن به معنای کاهش مقاومت و افت عملکرد بتن به دلیل تکرار زیادی سیکل بارگذاری می باشد که مشکلات زیادی برای بتن ایجاد می کند.

بتن دارای مقاومت فشاری بسیار زیادی است و همه مهندسان و پیمانکاران ساختمانی می دانند که مقاومت کششی آن اندک است. تنها بتنی که همزمان از مقاومت فشاری و مقاومت کششی بسیار بالا برخوردار است، بتن پیش تنیده است.

بتن با وجود مقاومت بسیار بالایی که دارد در اثر بارگذاری مکرر و طولانی مدت دچار افت کیفیت و ضعف در ساختار می شود. زمانی که بتن دچار ترک های متعددی در اثر بارگذاری و باربرداری پیاپی شود، مقاومت آن کم می شود و دچار نقص های ظاهری زیادی می شود که به آن پدیده Concrete Fatigue می گویند که در ادامه بیشتر با آن آشنا می شویم.

منظور از خستگی بتن چیست؟

این پدیده به صورت کاهش تدریجی مقاومت و عملکرد بتن در پی تکرار تعداد زیادی سیکل بارگذاری می باشد.

شاید یک ستون بتنی در اثر بارگذاری منفرد دچار مشکل نشود ولی در صورتیکه همین بار هزاران بار اتفاق بیفتد، تنش های داخلی بتن سبب شکل گیری و گسترش ترک های ریز می شود.

این پدیده در واقع یک پروسه ترک خوردگی می باشد که سبب تغییر در خواص مواد ماکروسکوپی می گردد. کاهش سختی پیشرونده و به حداکثر رسیدن کرنش های کل و باقیمانده متأثر از تعداد چرخه ها و سطح تنش رخ می دهد. اثر این پدیده بر رفتار اعضای سازه کمی پیچیده به نظر می رسد. چرا که توزیع دوباره چرخه ای تنش ها درون ساختار شکل می گیرد.

خستگی بتن بیشتر برای چه بارهایی رخ می دهد؟

این پدیده معمولاً به دنبال وارد شدن برخی از بارها ایجاد می شود که متداول ترین آنها را در جدول زیر نشان داده ایم:

آیا الیاف فولادی سبب کاهش احتمال وقوع این پدیده می شود؟

بله، بر اساس مقایسه ای که میان تیرهای عمیق بتنی مسلح با فولاد تقویت شده با الیاف فولادی و تیرهای عمیق بتنی مسلح شد، مشخص شد که الیاف بتنی می تواند طول عمر خستگی بتن را افزایش دهد و به عبارت دیگر بتن دیرتر دچار خستگی شود.

نتایج مقایسه صورت گرفته به شرح زیر است:

• • تیرهای عمیق با نسبت عمق دهانه برشی پایین تر از 1.5 شاید از طریق شکست آرماتور طولی که جایگزین شکست آرماتور برشی است به فاز شکست برسد.
  • بهره گیری از الیاف فولادی سبب کاهش خستگی و تغییرات شکل تیرها نسبت به نمونه های فاقد الیاف می شود.
  • طول عمر این پدیده در تیرهای عمیق بتنی مسلح با آرماتور برشی با بهره گیری از الیاف فولادی بیشتر می شود. با توجه به نحوه تقویتی که انجام شده است تغییر شکل با افزایش طول عمر این پدیده کمتر می شود.

روند خستگی در بتن‌های مختلف به  چه صورت است؟

روند خستگی بتن به صورت زیر است:

• • • ایجاد ریز ترک ها: ترک های ریزی در بتن ایجاد می شود که آنچنان به چشم نمی آید.
    • رشد ترک ها: بیشتر شدن ترک ها کم کم رخ می دهد و سرعت بیشتری پیدا می کند.
    • کاهش سختی: افزایش ترک ها سبب کاهش سختی مؤثر در بتن می شود که این مسئله بر عملکرد آن تأثیر می گذارند.
    • آسیب دیدگی بیشتر و بیشتر: افزایش ترک ها موجب بدتر شدن اوضاع می شوند و شدت آسیب دیدگی را افزایش می دهد.
    • شکست خستگی: در پی بارگذاری و استمرار آن، ظرفیت باربری بتن به اندازه ای کم می شود که شکست در بتن ایجاد می شود.

آیا بتن پیش تنیده دچار خستگی می شود؟

خستگی بتن در تمامی انواع بتن از جمله بتن پیش تنیده محتمل است. البته احتمال بروز این پدیده در بتن پیش تنیده فقط متکی به بتن ساده نیست و به فولاد پیش تنیده وابسته است.

احتمال وقوع این پدیده در بتن پیش تنیده به پارامترهای زیادی بستگی دارد که برخی از آنها را نام می بریم:

• • • شرایط محیطی سازه موردنظر
    • وضعیت خوردگی فولاد
    • تعداد سیکل های بارگذاری
    • شدت و میزان ترک خوردگی بتن
    • کیفیت بتن
    • نحوه کنترل مناسب نیروی پیش تنیدگی

چه سازه هایی دچار خستگی بتن می شوند؟

پل ها، روسازی های بتنی، باند فرودگاه و سازه های بتنی از جمله سازه هایی هستند که دچار این مشکل می شوند که در ادامه به بررسی آن می پردازیم:

1.    پل ها:

پل ها به سبب در معرض بار قرار گرفتن بسیار زیاد و تردد بالا دچار بارگذاری های تکراری هستند. بنابراین احتمال بروز این پدیده در پل ها بسیار زیاد است. همین مسئله ضرورت ارزیابی طول عمر و مقاومت پل را نشان می دهد.

2.    روسازی های بتنی:

روسازی های بتنی به سبب عبور پیوسته ماشین در معرض بارگذاری چرخه ای هستند. هر چقدر که تردد بیشتری از پل ها انجام شود، ترک های بیشتری در شکل می گیرد. شدت آسیب دیدگی ناشی از این پدیده در روسازی های بتنی به عوامل زیادی بستگی دارد.

3.    فرودگاه ها:

باندهای بتنی فرودگاه در معرض بارگذاری های سنگین و مکرر هستند. زمانی که بارگذاری ها که عمدتاً مربوط به حرکت هواپیما است تکرار شوند، این پدیده رخ می دهد. به همین دلیل باند فرودگاه ها به تعمیرات زودهنگام نیاز پیدا می کنند.

4.    خستگی بتن در سازه های صنعتی:

سازه های صنعتی که در نزدیکی تجهیزات دارای ارتعاش یا بارهای متناسب هستند، در معرض وقوع این پدیده هستند. سازه های صنعتی در طول عمر خود پیوسته در معرض این بارها قرار می گیرند و تکرار سیکل های بارگذاری سبب می شوند که آسیب های زیادی در سازه های صنعتی ایجاد شود.

سخن پایانی

کیفیت پایین بتن، بالا بودن نسبت آب به سیمان، ترک های اولیه در بتن، خوردگی آرماتور و شرایط محیطی نامناسب سبب می شوند که خستگی بتن زودتر رخ دهد. تاکنون مطالعات زیادی بر روی این پدیده صورت گرفته است. اما تحقیقات صورت گرفته با پیشرفت زیادی همراه نبوده است. سازه هایی مثل پل ها، باند فرودگاه ها، تأسیسات دریایی و خطوط راه آهن به دلیل اینکه در معرض بارهای چرخه ای هستند زیاد با این مشکل روبرو می شوند.