Анализ на умората при строителните конструкции: как архитектите определят експлоатационния живот на сградите

Архитектите разчитат на анализа на умората, за да определят експлоатационния живот на дадена конструкция или сграда. Макар че този анализ традиционно се извършва от самия проектант, днес вече съществуват специализирани софтуерни инструменти, които помагат за дефинирането и измерването на натоварванията и напреженията върху конструкцията във времето. Резултатите от анализа на умората са от съществено значение за успешното завършване на всеки строителен проект.

Ако такъв анализ не бъде извършен, архитектите нямат представа колко дълго ще издържи една сграда в конкретна околна среда — което може да доведе до срутвания или до неправилно проектирани конструкции.

Инструменти за анализ на умората и подходът „напрежение–живот“

Архитектите и проектантите измерват структурните разрушения с помощта на специализирани инструменти за анализ на умората. Обикновено те създават собствени вътрешни средства за тестване на умората върху сграда или друго съоръжение. Съществува обаче и модерният софтуер ANSYS за анализ на умората, който изследва натоварванията, влиянието на средното напрежение и други фактори чрез подхода „напрежение–живот“ (stress-life).

С системите ANSYS проектантите работят с данни за умора, записани в XML формат, които показват зависимостта от средното напрежение или множество криви с различни r-съотношения — при наличие на достатъчно данни. Данните за материала се съхраняват в ANSYS под формата на таблици с редуващо се напрежение спрямо точките на жизнения цикъл. Резултатите се генерират след прилагане на инструмента за умора върху конструкцията, като се извършва анализ на типа натоварване, обработката на средното напрежение и други параметри.

Подходът „пълен живот“

За разлика от подхода „напрежение–живот“, методът „пълен живот“ (total-life) използва S-N криви, показващи броя цикли до разрушаване за всеки отделен случай на натоварване. Правилото на Miner обединява щетите от всички случаи и дава обща оценка на повреждането на цялата конструкция след изпитването. S-N кривите използват логаритмични стойности, тъй като вариациите са значително по-големи.

Спектърът на умората определя последователността на натоварване след неговото приложение върху конструкцията, като всеки случай генерира коефициент на натоварване и брой цикли. Друга програма за анализ на умората, LUSAS, използва именно подхода „пълен живот“ за изчисляване на резултатите. Те могат да се преглеждат в режим loglife, който показва очаквания живот на конструкцията в зависимост от нивото на натоварване, измерено в цикли до разрушаване. Вторият резултат показва степента на повреждане (damage) — обема щетите, които конструкцията понася при циклично натоварване.

Видове натоварвания

Напрежението предизвиква умора в материала, а натоварващото напрежение е най-често срещаният ѝ вид. Умората се изменя с времето в зависимост от развитието на натоварването — това означава, че напрежението нараства при продължителна експлоатация на конструкцията след значителни натоварвания.

Според ANSYS основните видове натоварвания за анализ са следните:

• Постоянна амплитуда с пропорционално натоварване — наричано още „приблизителен метод“ (back of the envelope). Използва се натоварващо съотношение LR = L2/L1, показващо отношението на второто натоварване към първото. Методът разчита на пропорционално натоварване само с един набор от крайноелементни резултати за напреженията, като по този начин изключва натрупването на щети.
• Непостоянна амплитуда с пропорционално натоварване — подобно на постоянната амплитуда е необходим само един набор от резултати, но съотношенията на натоварването се променят с времето, което налага анализ на натрупаните щети.

Корекция на средното напрежение

Тъй като анализът на умората отразява напрежението от натоварването, средното напрежение задължително трябва да бъде взето предвид. Един от начините е интерполацията — чрез анализ на материалните криви. Статичният материал също генерира S-N данни, показващи средното напрежение при подхода „пълен живот“. Освен това съществуват класически теории за отчитане на средното напрежение: Гербер (Gerber), Гудман (Goodman) и Зодерберг (Soderberg).

Според ANSYS теорията на Гербер третира отрицателните и положителните средни напрежения по еднакъв начин, докато теориите на Гудман и Зодерберг не прилагат корекция при отрицателни средни напрежения. Причината е, че те са по-консервативни и не отчитат компресионното средно напрежение, при което разрастването на уморителните пукнатини в конструкциите протича по-бавно.