4/5
2رای
این پســت برای شما مفیــد بود ؟
  • 5عالی بود
  • 3خوب بود
  • 2معمولی بود
  • 1بد بود

به ‌طور کلی در علم مقاومت مصالح یا مکانیک مواد به تحلیل تنش و تغییر شکل مواد در اثر اعمال نیرو و فشار پرداخته می‌ شود. برای اینکه مهندسین بتوانند سازه‌ هایی را طراحی کنند که بارهای مشخصی را تحمل کند باید در این زمینه دانش کافی کسب نمایند. فولاد نیز یکی از مهم ‌ترین مصالح مورد استفاده در ساخت انواع سازه‌ ها می ‌باشد و به همین دلیل اصطلاحات مهم در این زمینه در مورد فولاد برای طراحی سازه اهمیت ویژه ‌ای دارد. مهم ‌ترین این اصطلاحات شامل تنش تسلیم فولاد، تنش کرنش فولاد، استحکام تسلیم لوله فولادی و مدول الاستیسیته فولاد می باشد. در این مقاله سعی می‌ کنیم به ‌طور کامل هر کدام از این اصطلاحات را برای شما توضیح دهیم.

توضیح کامل نمودار تنش و کرنش برای فولاد

تنش و کرنش انواع فولاد چیست؟

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 مهم ‌ترین مفاهیم در مقاومت مصالح هستند. زمانی که یک نیروی خارجی بر یک سازه به ‌طور کلی و یا هر قطعه از آن وارد می ‌شود 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) می ‌باشد. نیروهای خارجی که به یک سازه وارد می ‌شوند می ‌توانند باعث تغییر شکل آن شوند، حتی اگر آن سازه از فولاد ساخته شده باشد. اینکه این 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 می ‌گویند. 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 می ‌شوند. بارگذاری ‌ها و تنش ‌های ایجاد شده برای هر سازه می‌ تواند کاملاً متفاوت باشد.

انواع بارگذاری‌ ها عبارتند از:

  • نیروی محوری
  • نیروی برشی
  • گشتاور یا لنگر
  • پیچش

فولاد چیست و چرا آزمایش تنش و کرنش فولاد!

از آنجایی که اصطلاحات گفته شده در مقدمه را می‌ خواهیم برای فولاد بررسی کنیم 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 مهم ‌ترین مواد اولیه ساخت فولاد کربن است که با ترکیب آلیاژهای دیگر فولادهای مختلف را می ‌سازد. در واقع درصد کربن و آلیاژهای به کار رفته در یک نوع فولاد میزان سختی آن را مشخص می ‌کند. پس هر نوع فولادی می‌ تواند 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 گرفته و پارامترهای مهم آن مثل تنش تسلیم مشخص شود.

تنش تسلیم فولاد چیست؟

به‌ طور کلی تنش و کرنش دو مفهوم اساسی و مهم در علم مقاومت مصالح برای همه مواد محسوب می‌ شود که در بیشتر رشته‌ های مهندسی و به‌ خصوص مکانیک و عمران کاربرد فراوانی دارند. در واقع می ‌توان گفت یکی از مهم ‌ترین خصوصیات مقاطع فولادی تنش تسلیم فولاد است که به شما کمک می ‌کند تا این مفهوم را بیشتر درک کنید. در واقع در مورد فولاد در مقاومت مصالح سه پارامتر از همه متغیرها مهم ‌تر و اساسی ‌تر است که دانستن آن ‌ها به طراحان و به‌ خصوص مهندسین عمران در طراحی دقیق ‌تر کمک خواهد کرد. این سه پارامتر عبارتند از:

  • تنش تسلیم فولاد (Fy)
  • تنش نهایی فولاد (Fu)
  • کرنشی که موجب شکست می‌ شود یا تنش کرنش فولاد

میزان تنش تسلیم به مهندس طراح می ‌گوید 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 می ‌تواند تحمل کند. برای به دست آوردن میزان تنش تسلیم در آزمایشگاه‌ های کنترل کیفیت از یک آزمایش مخصوص به نام آزمایش مقاومت کششی استفاده می ‌شود.

نمودار تنش کرنش فولاد ساختمانی

نحوه آزمایش مقاومت کششی تنش تسلیم

در این آزمایش یک میله فولادی از جنس فولاد مورد نظر تحت بار کششی قرار می‌ گیرد و کم‌کم میزان کشش افزایش پیدا می ‌کند. 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 می شود و بالاخره نیروی کشش آنقدر زیاد شده که سطح مقطع به صفر رسیده و میله فولادی به دو قسمت تقسیم می ‌شود.

به همین ترتیب نیروی کششی در لحظه جداسازی لوله فولادی را تنش تسلیم می ‌گویند؛ یعنی جایی که فولاد تسلیم می ‌شود و دیگر نمی ‌تواند به هیچ وجه نیروی اضافی را تحمل کند. به تغییرات فولاد در زمانی که مقطع کاهش پیدا می ‌کند اما جدا نمی‌ شود تغییرات کرنشی و به نیروهای کششی وارد شده تنش‌ های ایجاد شده می‌ گویند که همه این اندازه‌ گیری‌ ها در نموداری به نام نمودار تنش- کرنش ترسیم می ‌شود و در طراحی از آن استفاده می ‌کنند. این نمودار به مهندس طراح می‌ گوید که چقدر بار روی سازه قرار بگیرد باعث شکسته شدن میله ‌ها و از بین رفتن سازه می ‌شود 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 می ‌باشد که همه چیز را مشخص می ‌کند. همان طور که قبلاً هم اشاره کردیم فولادهای مختلف تنش تسلیم‌ های متفاوتی دارند. به‌ عنوان ‌مثال میزان تنش تسلیم یکی از فولادهای کاربردی و معروف به نام فولاد st37 برابر با ۳۷۰۰ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع است. یعنی اگر بیشتر از این نیروی وزن به آن وارد شود حتما می ‌شکند.

تنش تسلیم لوله فولادی

استحکام تسلیم لوله فولادی نیز توسط همان آزمایش مقاومت کششی به دست می ‌آید. وقتی با استفاده از داده‌ های به‌ دست ‌آمده از آزمایش، نمودار تنش – کرنش ترسیم می ‌شود مهندس طراح با کشیدن یک خط موازی با نقطه قسمت کشسان یا الاستیک که معمولاً با فاصله ۰٫۰۰۲ از مبدأ نمودار ترسیم می ‌شود، جایی که نمودار را قطع می ‌کند به‌ عنوان استحکام تسلیم لوله فولادی می ‌شناسد. استحکام تسلیم لوله فولادی با Sy مخفف عبارت (Yield strength) شناخته می ‌شود؛ که واحد آن در سیستم آحاد به‌ صورت متریک MPa و بر اساس اینچ ksi می ‌باشد. معمولاً مهندسین طراح باید این پارامتر را هم برای میزان بارگذاری سازه در نظر داشته باشند، زیرا این نقطه نشان می‌ دهد 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 نمی ‌خواهیم سازه ‌هایی داشته باشیم که بعد از بارگذاری ‌های مختلف مانند انواع نیروهای کششی، فشاری، ضربه و نیروهای تکیه ‌گاهی 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.

آزمایشگاه آزمون فولاد

مدول الاستیسیته فولاد ساختمانی چقدر است؟

به حدی از تغییر شکل فولاد مورد نظر در آزمایش مقاومت کششی که مقادیر تنش و کرنش به ‌صورت خطی با هم متناسب باشند، تغیر شکل کشسان یا الاستیک ماده (Elastic Deformation) گفته می ‌شود. 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 می ‌دهد نمونه مورد آزمایش در برابر تغییر شکل کشسان چقدر مقاومت می‌ کند. هر چه مقدار مدول بیشتر باشد ماده سفت ‌تر است یعنی کرنش کشسان کمتری در اثر اعمال یک تنش معین در آن رخ می ‌دهد. این مدول یک عامل مهم طراحی است که برای محاسبه تغییر شکل‌ های کشسان به کار می ‌رود.

به تغییر شکل کشسان تغییر شکل ناپایدار نیز گفته می ‌شود؛ یعنی در این نقطه اگر نیروی وارد شده به نمونه برداشته شود تغییر شکل از بین رفته و فولاد به حالت اولیه خود بر می ‌گردد. معمولاً سازه ‌ها باید طوری طراحی شوند که مطمئن باشیم در اثر وارد شدن تنش تغییر شکل الاستیک تنها در قطعات و اجزای سیستم اتفاق افتاده و کل سازه را تغییر نمی‌دهد و می ‌تواند دوباره به حالت قبلی برگردد؛ بنابراین دانستن نیرویی که در آن تغییر شکل الاستیک در قطعه یا بدنه شروع می ‌شود اهمیت زیادی دارد، 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.

گزارش کار آزمایشگاه خواص مکانیکی فولاد

به‌ طور کلی تعیین خواص مکانیکی مواد مثل فولاد با تجهیزات و روش ‌های دقیق مختلفی انجام می ‌گیرد که یکی از آن‌ ها آزمایش مقاومت کششی برای تعیین میزان تنش تسلیم، کرنش تسلیم، استحکام تسلیم و مدول الاستیسته بود که کاملا توضیح دادیم. آزمایشات دیگری نیز مانند آزمایشات فشاری، برشی و پیچشی برای تعیین سایر پارامترهای مکانیکی مواد در آزمایشگاه‌ های مکانیک و مقاومت مصالح انجام می ‌شود که همگی آن ‌ها برای یک طراحی بی ‌عیب و نقص و داشتن سازهای کاربردی لازم و ضروری هستند.

نتیجه

با توجه به توضیحاتی که در مورد هر کدام از مهم‌ ترین اصطلاحات در علم مقاومت مصالح درباره فولاد برایتان ارائه کردیم، اکنون بهتر درک می‌ کنید که تعیین این پارامترها توسط آزمایش‌ های مختلف چقدر می‌ تواند برای یک طراحی دقیق و بدون نقص مهم باشد. توجه داشتن به این پارامترها در هنگام طراحی باعث می‌ شود بعد از بهره‌ برداری از طرح اجرا شده هیچ مشکلی پیش نیاید و نه طراح و نه کارفرما هیچ کدام با ایجاد حادثه‌ های ناگهانی مانند تخریب سازه غافلگیر نشوند. امیدواریم این مطلب نظر شما را جلب کرده باشد.

۴
۲رای
این پســت برای شما مفیــد بود ؟
  • ۵عالی بود
  • ۳خوب بود
  • ۲معمولی بود
  • ۱بد بود

پیشنهاد می کنیم مطالعه کنید

0

سوالات و نظرات کاربران

نمایش موافق ترین ها
    0

    سوالات و نظرات کاربران

    اختیاری

    اشتراک گذاری