نحوه محاسبه تنش مجاز در فولاد

تنش (stress) چیست؟

تنش، یک کمیت فیزیکی است که برابر با نیروی اعمال شده بر روی ماده در هر واحد سطح می‌باشد. حداکثر تنشی که ماده قبل از شکستن می‌تواند تحمل کند، تنش شکست یا تنش کششی نهایی نامیده می‌شود. یعنی ماده تحت کشش است. نیروهای اعمال شده روی ماده سعی در کشش آن دارند. هنگامی که اجسام الاستیک به شکل اولیه خود برمییگردند؛ دلیلی برای ایجاد یک نیروی ترمیم داخلی می‌باشد. اگر بخواهیم این نیروی ترمیم کننده را که در هر واحد سطح عمل می‌کند، محاسبه کنیم؛ آن را تنش می‌نامیم. هنگامی که نیروهایی که بر روی جسم اعمال می‌کنند، سعی در له کردن آن داشته باشند، فشرده سازی نام دارد.

فرمول زیر برای محاسبه تنش استفاده می شود:

σ = F / A

σ= تنش

F= نیرو برحسب نیوتن (N)

A= سطح مقطع بر حسب متر مربع توجه داشته باشید که واحدهای تنش N / m² یا پاسکال (Pa) می‌باشند.

انواع تنش:

در فیزیک، انواع مختلفی از تنش وجود دارد؛ اما عمدتاً به سه نوع طبقه بندی می‌شوند:

تنش عمودی
تنش مماسی یا تنش برشی
تنش هیدرولیکی

تنش عمودی:

تنشی که هنگام بارگیری یک عضو توسط یک نیروی محوری رخ می‌دهد، به عنوان تنش عمودی شناخته می‌شود. به عبارت دیگر، وقتی تنش اعمال شده عمود بر جسم باشد. نماد تنش σ می‌باشد. واحد این تنش در SI بر حسب MPa است.

فرمول زیر برای محاسبه تنش عمودی استفاده می شود:

تنش عمودی = نیروی محوری / سطح مقطع

σ = P / A

هنگامی که یک جسم تحت کشش یا فشار قرار گیرد، این تنش رخ می‌دهد.

تنش طولی:

هنگامی که طول جسم با اعمال تنش عمودی تغییر کند؛ به عنوان تنش طولی شناخته می‌شود.

تنش طولی = نیروی تغییر شکل / مساحت سطح مقطع

تنش طولی = F / A

تنش حجمی:

تنش حجمی، تنشی است که در آن حجم جسم به دلیل تنش تغییر می‌کند. تنش عمودی روی جسم، باعث تغییر طول یا حجم می‌شود. اما تنش مماسی که باعث تغییر در شکل جسم شود را تنش حجمی می‌نامند. جسمی که تحت نیروی فشار p باشد، وقتی در مایع فرو برده شود، با نیرویی که عمود بر سطح آن است مقابله می‌کند.

تنش حجمی = نیرو / سطح = فشار

تنش برشی:

تنش برشی، نیرویی است که بطور مماس بر سطح جسم اعمال می‌شود. در این نوع، نیروهایی که بر روی سطح اعمال می‌شوند؛ موازی با آن هستند و تنش اعمالی بر روی سطح نیز یک مماس را ترسیم می‌کند. این نوع تنش، به عنوان تنش برشی شناخته می‌شود.

تنش برشی = نیرو / مساحت سطح = F / A

تنش کششی:

نیرو در واحد سطح، به عنوان تنش کششی تعریف می شود. اگر تنش اعمال شود، طول جسم به دلیل نیرو افزایش میابد. این تنش، زمانی مشاهده می‌شود که میله تحت قانون سوم حرکات کشیده می‌شود. لاستیک، نمونه‌ای از تنش کششی است. این مقدار با کشش همراه است. و توسط σ علامت گذاری می‌شود.

تنش فشاری:

هنگامی که ما یک نیروی مماس بر جسم اعمال می‌کنیم، شکل و حجم آن تغییر می‌یابد. هنگامی که این تنش اعمال شود، طول جسم کاهش می‌یابد. تنش فشاری، بر خلاف تنش کششی است.

تنش مماسی:

ما نیرو در واحد سطح را به ترتیب تنش عمودی و تنش مماسی بیان کردیم. هنگامی که دو نیروی متغیر مساوی و متضاد به موازات سطح مقطع یک جسم اعمال می‌شوند، جابجایی نسبی بین وجوه مخالف جسم به وجود می‌آید و نیرویی که به دلیل نیروی مماسی اعمال شده ایجاد شده است؛ به عنوان تنش مماسی شناخته می‌شود.

تنش هیدرولیک:

تنش هیدرولیک، مقدار نیروی داخلی در واحد سطح است که روی مایعات اعمال می‌شود. این تنش، هنگامی رخ می‌دهد که نیرو توسط مایعات روی جسم اعمال می‌شود. تنش، از نظر فیزیکی برابر با فشار نیست، زیرا در فشار، نیروی خارجی در واحد سطح، اما در تنش، نیروی داخلی در واحد سطح در نظر گرفته می‌شود. در مورد مایعات، تنش هیدرولیک به همین روش تعریف می‌شود.

تنش شعاعی:

تنش شعاعی، برای استوانه‌ای با دیواره ضخیم است که برابر و مخالف فشار معین بر روی سطح داخلی و صفر بر سطح خارجی است. تنش محیطی و تنش طولی از تنش شعاعی بیشتر است بنابراین تنش شعاعی نادیده گرفته می‌شود.

تنش مجاز:

تنش مجاز یا استحکام مجاز، حداکثر تنش کششی، فشاری یا خمشی است که مجاز به اعمال بر روی ساختار ماده است. حداکثر تنشی که یک جسم میتواند تحمل کند، تنش مجاز نامیده می‌شود. به عنوان مثال، طبقه‌های یک کتابخانه ممکن است دارای تنش مجاز 150 پوند در هر فوت مربع باشند.

تنش مجاز توسط دو عامل ایمنی تحمیل شده بر جسم و تنش تسلیم یا تنشی که در آن یک جسم دائما آسیب خواهد دید تعیین می‌شود. برای تعیین تنش تسلیم فولاد، فهرستی از خواص کلی فولادها مورد بررسی قرار گرفت. آلیاژهای فولادی انواع مختلفی دارند که همه آنها دارای خواص و تنش تسلیم مختلف هستند. فولاد A36 یکی از آلیاژهای فولادی محبوب می‌باشد که در آن عدد 36، تنش تسلیم 36000 پوند در اینچ مربع را نشان می دهد.

برای یک پروژه خاص، یک ضریب اطمینان را بر اساس استانداردهای صنعت انتخاب می‌کنند. در صنعت هوافضا، این ضریب اطمینان 1.5 است در حالی که کابل‌های موجود در آسانسورها باید دارای ضریب ایمنی 11 باشند. در صورت عدم وجود دستگاه استاندارد، ضریب ایمنی مناسب 4 می‌باشد. تنش مجاز از تقسیم تنش تسلیم بر ضریب اطمینان حاصل می‌شود.

نحوه محاسبه تنش مجاز در فولاد:

تنش مجاز به طور کلی توسط کدهای ساختمانی تعریف می‌شود، و برای فولاد و آلومینیوم، کسری از تنش تسلیم (استحکام) آن‌ها است: فرمول محاسبه تنش مجاز

در معادله فوق ، f_α تنش مجاز ، f_y تنش تسلیم و f.s. ضریب اطمینان یا ضریب ایمنی است. این ضریب به طور کلی توسط کدهای ساختمانی بر اساس شرایط خاص تحت نظر تعریف می‌شود.

از آنجایی که قطعات کششی عموماً خم نمی‌شوند، به دلیل کوچک بودن مقدار f.s.، می‌توانند در برابر بارهای بزرگتر (f_α بزرگتر) مقاومت کنند.

روش طراحی تنش مجاز

روش طراحی تنش مجاز، یک روش منحصر به فرد است که مهندسان عمران در حین کار بر روی پروژه‌های ساختمانی خود اتخاذ می‌کنند. این روش، موجب می‌شود که طراح تضمین کند تنش‌های تحمیل شده به سازه‌ها به دلیل بار خدمات از حد الاستیک فراتر نرود. این پدیده خاص جزئی جدایی ناپذیر از مهندسی سازه است.