گسیختگی های ناشی از خستگی و خوردگی
فولادهای پیش تنیدگی تنها ممکن است در صورت ترک خوردن بتن در سازه های بتن مسلح تحت کرنش های دینامیکی، در معرض تنش قابل توجهی قرار گیرند. دامنه های تنش فولاد پیش تنیدگی تحت بارهای دینامیکی بالا (مثلا بار ترافیکی بالا بر روی یک پل) ممکن است در ناحیه ترک به حدود بیشتر از N/mm2200 برسد. در حالت بدون ترک خوردگی، فولادها تنش هایی در محدوده کمتر از N/mm2100 را نشان می دهند. ترک ها ممکن است در سازه های بتنی به طور جزئی پیش تنیده، اتفاق بیفتند. از آنجا که چنین ترک هایی تمایل به باز و بسته شدن تحت تاثیر یک تنش خستگی اضافی را دارند، برخی عوامل باید مورد بررسی قرار گیرند که در ادامه به بحث پیرامون آنها پرداخته شده است.
در این مقاله که توسط ما در کلینیک بتن تهیه شده است با کنکاشی پیرامون خوردگی های بتن های پیش تنیده آشنا می شوید. با ما همراه باشید
ترک خستگی ناشی از خوردگی
اگر محیط آبی تسریع کننده خوردگی از طریق یک ترک موجود در بتن، به یک تاندون تحت تنش دینامیکی نفوذ نماید، احتمال وقوع ترک خستگی ناشی از خوردگی وجود دارد، اگرچه این نوع خوردگی تاکنون در اجرای فولاد پیش تنیدگی مشاهده نشده است. ترک خستگی ناشی از خوردگی به این دلیل اتفاق می افتد که یک مصالح فلزی تحت تنش دینامیکی در یک واسط خورنده (مثلا آب یا محلول نمک) رفتار خستگی بسیار تامطلوب تری را نسبت به یک مصالح مشابه تحت بارگذاری خستگی در هوا نشان می دهد.
در عین حال که فولادها یک «حد خستگی» را هنگام آزمایش در هوای خشک نشان می دهند (یعنی یک دامنه تنش بحرانی که رد کمتر از آن گسیختگی حتی پس از اعمال تعداد چرخه های بسیار زیاد اتفاق نمی افتد). اما این شرایط در محیط های خورنده برقرار نمی باشد. کاهشی که در حد خستگی بر اثر خوردگی ایجاد می شود، هرچه مقاومت فولاد بالاتر بوده و هرچه واسط مهاجم خورنده تر باشد، بیشتر می شود. بنابراین فولادهای پیش تنیدگی با مقاومت بالا هنگامی که به طور همزمان در معرض حمله مثلا واسط آبی حاوی کلرید قرار گیرند، ممکن است رفتار خستگی بسیار نامطلوبی را نشان دهند.
در سازه های پل حامل ترافیک، تنها تنش های با فرکانس پایین هستند که منجر به دامنه های تنش بالا شده و موجب تقویت ترک خستگی ناشی از خوردگی می گردند. در فرکانس های پایین تر، اثر خوردگی افزایش یافته و در نتیجه حد خستگی افت می نماید. شکل 6-11 کاهش حد خستگی ناشی از خوردگی را برای سیم فولادی پیش تنیدگی با کشش سرد در محلول شامل کلرید-آب-هوا نشان می دهد.
شکل 6-11- رفتار خستگی تحت تنش های کششی ضربانی سیم های فولاد پیش تنیدگی با کشش سرد (Rm ≈ 1750 N/mm2) در هوا و محلول آبی تسریع کننده خوردگی
برای فرکانس های S-1 5/0، حد خستگی برای چرخه های تنش 107 کمتر از N/mm2 100 می باشد. شکل ترک خستگی ناشی از خوردگی در اعضای ترک خورده، از طریق پوشش بتن کافی و محدود نمودن عرض ترک، قابل حل و ترمیم می باشد. این کار موجب دور نگه داشتن آلاینده ها از سطح فولاد پیش تنیده می گردد.
خوردگی محرک/خستگی محرک
ترک ها در بتن ممکن است بر اثر تغییر مکان های بارگذاری خستگی میان تاندون و ملات تزریق یا مجرای فولادی، اتفاق بیفتند، در تاندون های خمیده، یک فشار شعاعی بالا به طور همزمان بر روی سطح فولاد پیش تنیدگی در حال سایش عمل می نماید. اگر هوا یا اکسیژن به محل سایش در ترک بتن راه یابند، خوردگی محرک ممکن است اتفاق بیفتد. خوردگی محرک به صورت آسیب به یک سطح فلزی به صورتی مشابه با سایش ناشی از اصطکاک نوسانی تحت فشار شعاعی با سطح دیگر، تعریف می شود: در حضور اکسیژن، اکسیداسیون در سطح واکنش پذیر اتفاق می افتد.
در فولادهای دارای بار خستگی که همزمان در معرض تنش خوردگی سایشی قرار دارند، خستگی سایشی، رفتار خستگی را بسیار وخیم تر می نماید. این شرایط می تواند منجر به ایجاد تنش های کششی اضافی در ناحیه تحت سایش گردد. در تاندون هایی که رد داخل بتن قرار گرفته و به ترتیب در معرض یک جابجایی نسبی و یک فشار شعاعی در ترک بتن، بین فولاد پیش تنیدگی و مجرا یا ملات تزریق قرار دارند، حدود خستگی قابل تحمل در حدود N/mm2 150 برای چرخه های 106×2 تا مرحله گسیختگی به دست آمده است.
دیگر مقالات ما را در این بخش دنبال نمایید
تفاوت شن و ماسه
مبانی طرح اختلاط بتن
انواع ملات های ساختمانی شامل چه مواردی است؟
در اجرای بتن پیش تنیده، مهارهای تاندون نیز یک حد خستگی کاهش یافته ای را در نتیجه خوردگی سایشی نشان می دهند. تحت تنش دینامیکی، حد خستگی تاندون مهار شده، بسته به نوع مهار، تا محدوده 80 و N/mm2150 کاهش می یابد. به همین دلیل، مهارها همواره در نواحی با حداقل تغییرات تنش قرار داده می شوند. در آزمایشات خستگی، فولادهای پیش تنیدگی همیشه در ناحیه انتقال نیرو یعنی در آغاز مهار، گسیخته می شوند.
در اینجا، حد خستگی بر اثر جابجایی نسبی میان فولاد پیش تنیدگی و بدنه مهار تحت فشارهای شعاعی بالای همزمان، کاهش می یابد. در پل های بتنی پیش تنیده، اتصالات کوپلینگ به ویژه مشکل آفرین می باشند. اگر چنین اتصالاتی در نتیجه تنش های وارده دچالر ترک خوردگی شوند (مثلا بر اثر گرمایش خورشیدی غیریکنواخت و آرماتورهای ناکافی در عض اتصال کوپلینگ)، کوپلینگ های تاندون دچار چرخه های خستگی تنشی عمده ای ناشی از بارهای ترافیکی می شوند که این حالت می تواند منجر به گسیختگی فولادهای پیش تنیدگی ناشی از کوپلینگ های حساس به تنش گردد.
- تاریخچه های موردی فروریختن سازه ای
- دلایل گسیختگی فولاد پیش تنیدگی
خرابی های بزرگ بتن پیش تنیده
گسیختگی نابه هنگام فولاد پیش تنیدگی در سازه های بتن پیش تنیده، معمولا بر اثر خوردگی اتفاق می افتد. آشکارترین نوع گسیختگی هنگامی روی می دهد که فولاد با مقاومت بالا به دلیل تجاوز تنش وارده از مقاومت کششی میله آسیب دیده در ناحیه شامل حفره های خوردگی، گسیخته می شود. در چنین حالتی، گسیختگی دارای ماهیت ترد می باشد .اثر خوردگی موضعی بر مشخصات مقاومتی و تغییر شکلی یک عضو، به نوع فولاد پیش تنیدگی مورد استفاده بستگی دارد.
فولاد کشیده شده نسبت به فولاد با نورد گرم محکم تر بوده و این فولاد نیز به نوبه خود از فولاد با سردکاری و آبکاری محکم تر می باشد. در عمل، گسیختگی های ترد خالص در بتن پیش تنیده، کمیاب بوده و در موارد گسیختگی قابل توجه بحث شده در قرار نمی گیرند. عمق فرورفتگی ها حداقل برابر mm1 برای مقاومت کششی میله زخم دار (شیار داده شده) مورد نیاز می باشد تا مقاومت آن را به کمتر از تنش واقعی وارد به فولاد برساند.
گسیختگی فولاد پیش تنیدگی در سازه تا حد زیادی می تواند از ترک ناشی از خوردگی تنشی مربوط به هیدروژن ایجاد شود. خوردگی تنشی در فولاد آسیب پذیر در برابر هیدروژن از طریق شرایطی تسریع می گردد که تشکیل هیدروژن اتمی بر روی سطح فولاد را امکان پذیر می سازد. این شرایط عبارتند از:
- فعال سازی یا حذف لایه محافظ نواحی ویژه ای از سطح فولاد
- شرایطی که حفره ای شدن ناشی از خوردگی و تشکیل فرورفتگی های کم عمق را تسریع می نماید (مانند حمله سولفات یا کلرید)
- وجود مواد ویژه ای (به نام تسریع کننده ها) که از ترکیب مجدد هیدروژن اتمی مضر جهت تشکیل هیدروژن مولکولی بی خطر جلوگیری می نمایند. موادی مانند گوگرد، آرسینک، تیوسیانات و ترکیبات سلنیوم که گاهی اوقات در ساخت و سازهای بتنی یافت می شوند، به ویژه به عنوان تسریع کننده ها، فعال می باشند.
در مورد سازه های پیش تنیده، چنین شرایطی می تواند پیش از تزریق با ملات اتفاق بیفتد. بسیار مهم است که پیش از تزریق تاندون ها، اقدامات پیشگیرانه مناسبی در برابر خوردگی صورت گیرد. شرایطی که مناسب خوردگی است نیز ممکن است ب��دا ظاهر شود و بنابراین حفاظت در برابر خوردگی باید به طور مداوم در طول عمر سازه مورد توجه قرار گیرد.
گسیختگی حین بهره برداری که پس از چند سال یا چند دهه استفاده از سازه ظاهر می شود، معمولا نتیجه عدم حفاظت کافی می باشد. حفاظت ناکافی در برابر مواد قلیایی ناشی از کربناسیون و یا از بین رفتن لایه محافظ پس از حمله کلریدی، علل عمده تخریب نهایی و حتی گسیختگی فولاد می باشد. در ادامه، دلایل خوردگی تاندون های پس تنیده در مجاری تزریق شده داخلی به طور ویژه مرور خواهد شد.
چنانکه در مقالات دیگر کلینیک بتن ایرن اشاره گردید، عوامل عمده ای که سطح دوام به دست آمده را به شدت تحت تاثیر قرار می دهند عبارتند از:
- طراحی ناکافی (اجرای ضعیف)
- اجرای غیر صحیح طراحی برنامه ریزی شده (نیروی کاری ضعیف)
- ترکیب معدنی نامناسب مصالح ساختمانی
- اعضای سیستم پس تنیدگی نامناسب، شامل فولاد پیش تنیدگی