از جمله مسائلی که در علم مقاومت مصالح یا مکانیک مواد به آن پرداخته میشود، تحلیل تنش و تغییر شکل مواد در اثر اعمال نیرو و فشار است! برای اینکه مهندسین بتوانند سازههایی را طراحی کنند که بارهای مشخصی را تحمل کند باید در این زمینه دانش کافی کسب نمایند. فولاد نیز یکی از مهمترین مصالح مورد استفاده در ساخت انواع سازه‌ها است و به همین دلیل اصطلاحات مهم در این زمینه در رتبطه با فولاد برای طراحی سازه اهمیت ویژه‌ای دارد. مهمترین این اصطلاحات شامل تنش تسلیم فولاد، تنش کرنش فولاد، استحکام تسلیم لوله فولادی و مدول الاستیسیته فولاد است. در این مقاله سعی داریم هر کدام از این اصطلاحات را به طور کامل برای شما توضیح دهیم.
قبل از اینکه بخواهیم تنش و کرنش یعنی دو اصطلاح مهم را در مورد فولاد بررسی کنیم باید تعریفی از هر واژه داشته باشیم تا بهتر درکشان کنیم:
تنش و کرنش مهمترین مفاهیم در مقاومت مصالح هستند. زمانی که یک نیروی خارجی بر یک سازه به طور کلی و یا هر قطعه از آن وارد میشود تنش و کرنش نیز ایجاد خواهد شد. در واقع تنش نیروی خارجی وارد شده بر یک جسم در واحد سطح است. واحد تنش در SI یعنی سیستم بین المللی واحد نیوتون بر متر مربع (N/m2) که هر نیوتون بر متر مربع معادل یک پاسکال (Pa) است.
نیروهای خارجی که به یک سازه وارد میشوند می‌توانند باعث تغییر شکل آن شوند، حتی اگر آن سازه از فولاد ساخته شده باشد. اینکه تغییر شکل چقدر باشد و تا چه حدی سازه کشیده شود یا تغییر شکل دهد به میزان سختی سازه و مصالح آن بستگی دارد. طول تغییر شکل سازه بر طول اولیه آن را کرنش میگویند.
کرنش واحد خاصی ندارد زیرا هم در مخرج و هم در صورت آن هر دو پارامتر دارای واحد طول هستند و با هم دیگر ساده میشوند. بارگذاریها و تنش‌های ایجاد شده برای هر سازه میتواند کاملاً متفاوت باشد. انواع بارگذاریها عبارتند از:
همانطور که اشاره شد قرار است با تعدادی اصطلاح آشنا شویم! پس باید بدانیم فولاد چیست و چرا باید تنش و کرنش یا استحکام تسلیم و مدول الاستیسته فولاد مشخص شود. برخلاف تصور بسیاری از افراد غیر متخصص، فولاد یک نوع فلز خاص نیست بلکه انواع مختلفی دارد. یکی از مهمترین مواد اولیه ساخت فولاد کربن است که با ترکیب آلیاژهای دیگر فولادهای مختلف را می‌سازد.
در واقع درصد کربن و آلیاژهای به کار رفته در یک نوع فولاد میزان سختی آن را مشخص می‌کند. پس هر نوع فولادی میتواند تنش تسلیم و پارامترهای خاص مربوط به خودش را داشته باشد. به همین دلیل است که نوع فولادی که قرار است در یک سازه به کار رود حتماً باید مورد آزمایش قرار گیرد و پارامترهای مهم آن مثل تنش تسلیم مشخص شود.
به طور کلی تنش و کرنش دو مفهوم اساسی و مهم در علم مقاومت مصالح برای همه مواد محسوب میشوند که در بیشتر رشته‌های مهندسی و به خصوص مکانیک و عمران کاربرد فراوانی دارند. در واقع می‌توان گفت یکی از مهمترین خصوصیات مقاطع فولادی تنش تسلیم فولاد است که به شما کمک می‌کند تا این مفهوم را بیشتر درک کنید.
در مقاومت مصالح فولادی، سه پارامتر از همه متغیرها مهمتر و اساسی‌تر هستند که دانستن آنها به طراحان و به خصوص مهندسین عمران در طراحی دقیق تر کمک خواهد کرد. این سه پارامتر عبارتند از:
میزان تنش تسلیم به مهندس طراح میگوید که این نوع فولاد خاص، توانایی تحمل حداکثر چقدر نیرو و کشش را دارد و در صورت ساخت سازه با استفاده از این فولاد کل سازه چقدر بار را میتواند تحمل کند. برای به دست آوردن میزان تنش تسلیم در آزمایشگاههای کنترل کیفیت از یک آزمایش مخصوص به نام آزمایش مقاومت کششی استفاده میشود.
در این آزمایش یک میله از جنس فولاد تحت بار کششی قرار میگیرد و کم‌کم میزان کشش بیشتر میشود. معمولاً میله تا یک حد مشخصی از نیرو را تحمل کرده اما از یک جایی به بعد هر چه میزان کشش اضافه شود خود فولاد هم تغییر شکل داده و کشیده خواهد شد، طوری که سطح مقطع آن در ناحیه کشش کم میشود و بالاخره نیروی کشش آنقدر زیاد شده که سطح مقطع به صفر رسیده و میله فولادی به دو قسمت تقسیم میشود!
به همین ترتیب نیروی کششی در لحظه جداسازی لوله فولادی را تنش تسلیم میگویند؛ یعنی جایی که فولاد تسلیم میشود و دیگر نمی‌تواند به هیچ وجه نیروی اضافی را تحمل کند. به تغییرات فولاد در زمانی که مقطع کاهش پیدا می‌کند اما جدا نمی‌‌شود تغییرات کرنشی و به نیروهای کششی وارد شده، تنش‌های ایجاد شده میگویند که همه این اندازه گیری‌ها در نموداری به نام نمودار تنش- کرنش ترسیم میشود و در طراحی از آن استفاده می‌کنند.
این نمودار به مهندس طراح میگوید که چقدر بار روی سازه قرار بگیرد، باعث شکسته شدن میله‌ها و از بین رفتن سازه میشود و یا چقدر نیرو برای سازه مورد نظر قابل تحمل است و باعث تغییر شکل یا خرابی آن نخواهد شد. در نتیجه میزان بارگذاری را کمتر از حد تحمل میله فولادی برای هر میله در نظر خواهد گرفت. شاید بتوان گفت یکی از مهم ترین نقاط این نمودار همان نقطه تنش تسلیم است که همه چیز را مشخص می‌کند.
همان طور که قبلاً هم اشاره کردیم فولادهای مختلف تنش تسلیم‌های متفاوتی دارند. به عنوان مثال میزان تنش تسلیم یکی از فولادهای کاربردی و معروف به نام فولاد st37 برابر با 3700 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع است. یعنی اگر بیشتر از این نیروی وزن به آن وارد شود حتما می‌شکند.
استحکام تسلیم لوله فولادی با آزمایش قبل (مقاومت کششی) نیز به دست می‌آید. وقتی با استفاده از داده‌های به دست آمده از آزمایش، نمودار تنش – کرنش ترسیم میشود مهندس طراح با کشیدن یک خط موازی با نقطه قسمت کشسان یا الاستیک که معمولاً با فاصله 0.002 از مبدأ نمودار ترسیم میشود، جایی که نمودار را قطع می‌کند به عنوان استحکام تسلیم لوله فولادی می‌شناسد.
استحکام تسلیم لوله فولادی با حروف Sy شناخته میشود که این حروف مخفف عبارت (Yield Strength) هستند؛ واحد آن در سیستم آحاد به صورت متریک MPa و بر اساس اینچ ksi هستند. معمولاً مهندسین طراح باید این پارامتر را هم برای میزان بارگذاری سازه در نظر داشته باشند، زیرا این نقطه نشان میدهد اگر نیرو بیشتر شود میله دچار تغییر شکل خواهد شد.
هر چند به تنش تسلیم نرسد و به دو تکه تقسیم نشود اما باز هم مهم است چون نمی‌خواهیم سازههایی داشته باشیم که بعد از بارگذاری‌های مختلف مانند انواع نیروهای کششی، فشاری، ضربه و نیروهای تکیه‌گاهی تغییر شکل بدهند. پس حداکثر نیرو را باید با توجه به مقدار استحکام تسلیم لوله فولادی نیز بسنجیم تا یک طراحی مهندسی شده داشته باشیم.
به حدی از تغییر شکل فولاد مورد نظر در آزمایش مقاومت کششی که مقادیر تنش و کرنش به صورت خطی با هم متناسب باشند، تغییر شکل کشسان یا الاستیک ماده (Elastic Deformation) گفته میشود. در واقع شیب قسمت خطی نمودار تنش – کرنش در این نقطه معادل با مدول کشسانی (مدول یانگ) E یا همان مدول الاستیسیته فولاد است.
مدول کشسانی یا مدول الاستیسیته فولاد معیاری از مقاومت و سفتی فولاد بوده و نشان میدهد نمونه مورد آزمایش در برابر تغییر شکل کشسان چقدر مقاومت می‌کند. هر چه مقدار مدول بیشتر باشد ماده سفت‌تر است یعنی کرنش، کشسان کمتری در اثر اعمال یک تنش معین در آن رخ میدهد. این مدول از عوامل مهم طراحی بوده است و اغلب جهت محاسبه تغییر شکل کشسان کاربرد دارد.
به تغییر شکل کشسان تغییر شکل ناپایدار نیز گفته میشود؛ یعنی در این نقطه اگر نیروی وارد شده به نمونه برداشته شود تغییر شکل از بین رفته و فولاد به حالت اولیه خود برمی‌گردد. عموما طراحی یک سازه به صورتی است که با وارد شدن تنش تغییر شکل الاستیک تنها در قطعات و اجزای سیستم اتفاق افتاده و کل سازه را تغییر نمی‌دهد و میتواند دوباره به حالت قبلی برگردد.
بنابراین اطلاع از نیرویی که در آن تغییر شکل الاستیک در قطعه یا بدنه شروع میشود بسیار مهم است. از آن نقطه به بعد تغییرات طوری هستند که حتی با برداشتن نیرو شکل میله مورد آزمایش دیگر به حالت قبل برنگشته و تغییرات دائمی هستند.
به طور کلی تعیین خواص مکانیکی مواد مثل فولاد با تجهیزات و روش‌های دقیق مختلفی انجام میگیرد که یکی از آنها آزمایش مقاومت کششی برای تعیین میزان تنش تسلیم، کرنش تسلیم، استحکام تسلیم و مدول الاستیسته بود که کاملا توضیح دادیم. آزمایشهای دیگری نیز مانند آزمایش فشاری، برشی و پیچشی برای تعیین سایر پارامترهای مکانیکی مواد در آزمایشگاههای مخصوص مکانیک و مقاومت مصالح انجام میشود که همگی آنها برای یک طراحی بی‌عیب و نقص و داشتن سازهای کاربردی لازم و ضروری هستند.
نتیجه
با توجه به توضیحاتی که در رابطه با هریک از مهمترین اصطلاحات در علم مقاومت مصالح درباره فولاد برایتان ارائه کردیم، اکنون درک بهتری از این پارامترها توسط آزمایشهای مختلف دارید و می‌دانید که چقدر این موضوع میتواند برای یک طراحی دقیق و بدون نقص اهمیت داشته باشد. توجه داشتن به این پارامترها هنگام طراحی باعث میشود بعد از بهره برداری از طرح اجرا شده، هیچ مشکلی پیش نیاید و نه طراح و نه کارفرما هیچ کدام با ایجاد حادثه‌‌های ناگهانی مانند تخریب سازه غافلگیر نشوند. امیدواریم این مطلب نظر شما را جلب کرده باشد.