مدل سازی عددی رفتار خستگی مواد ترد تحت بارگذاری سیکلیک با دامنه ثابت و متغیر

یکی از عوامل اصلی ناپایداری و شکست بسیاری از سازه ها و سازندهای سنگی و بتنی، وجود ترک ها، درزه ها و ناپیوستگی هایی است که تحت تأثیر بارهای استاتیکی و دینامیکی(خستگی)، به مرور زمان رشد کرده و نهایتاً باعث کاهش مقاومت سازه و یا حتی تخریب آن می گردند. تحقیق حاضر در دو فاز کلی انجام شد، در فاز اولیه به منظور بررسی رفتار خستگیِ سنگ(سنگ آهک) و بتن(بتن معمولی و بتن تقویت شده با الیاف پلی پروپیلن) تحت بارهای چرخه ای با دامنه ثابت، آزمایشات خستگی بر روی نمونه ها، در سه سطح بارگذاریِ خمشیِ سه نقطه ای سیکلیک انجام گرفت. سپس عمر خستگی و رشد ترک در نمونه ها، به صورت تحلیلی(بر مبنای nlfm و قانون پاریس) و عددی(اجزا محدود) مدل سازی شد. در روش عددی مولفه های مکانیک شکست با استفاده از روش های ctod و j-integral، به دست آمد و آنالیز عددی ترک خستگی برای هردوی این روش ها صورت گرفت. نتایج آزمایش نشان داد که در تمامی نمونه ها(سنگ و بتن)، با افزایش سطوح بارگذاری، از عمر خستگی کاسته شده و به سرعت رشد افزوده شده است. همچنین نمونه های بتنی تقویت شده، نسبت به بتن معمولی، طول ترک اولیه کوچک تر، عمر خستگی بیشتر و طول ترک نهایی بزرگ تری نشان دادند. نتایج مدل سازی نیز نشان داد، با وجود موفقیت روش تحلیلی در پیش بینی رفتار خستگی، عمر خستگی پیش بینی شده حاصل از روش عددی، مطابقت بیشتری با نتایج آزمایشات نشان داد. بهترین نتایج از آنالیز ترک خستگی به کمک روش j-integral، حاصل شد. در فاز دومِ پروژه، رفتار این مواد تحت بارهای چرخه ای با دامنه متغیر، مورد بررسی قرار گرفت. به این منظور یک مطالعه موردی(سد زاوین) انتخاب شد و آنالیز ترک خستگی در شرایطی انجام شد که ترکیبی از بارهای مختلف از قبیل بارثقلی، بارهیدراستاتیکی، بار هیدرودینامیکی و بار زلزله به سد اعمال می شد. نتایج نشان داد که رشد ترک در تمامی نواحی ِواصل به جناحین سد به صورت صفحه ای (صفحه x-z) بوده و با دور شدن از جناحین و به سمت مرکز سد، از محدودیت رشد در این صفحه کاسته شده، و در راستای محور y(در راستای ارتفاع سد) نیز گسترش یافته است. و همچنین با دور شدن از تاج و نزدیک شدن به فونداسیون، به تبعیت از افزایش تنش های کششی، رشد ترک خستگی نیز افزایش یافته است و بیش ترین رشد ترک در بدنه سد، در محل اتصال سد به فونداسیون و بیش ترین رشد ترک در کل سازه، در فونداسیون سنگیِ سد رخ داده است. نتایج نشان داد که در تمامی نواحیِ بدنه بتنی و فونداسیون سنگیِ سد، ضرایب شدت تنش حداکثر، به ترتیب از چقرمگی شکستِ بتن و فونداسیون کمتر بوده و از لحاظ پایداری سازه، مشکل ساز نخواهند بود.