مفهوم تنش

مفهوم تنش

 در اولین قدم برای تحلیل یک سازه باید نیروهای داخلی موجود در تک تک اعضای سازه محاسبه و تعیین گردد.این موضوع مهمترین مرحله در تعیین تنشهای یک عضو سازه ای ست .در تعریف تنش آمده است که : نیرو بر واحد مساحت ، یا شدت نیروهای توزیع شده بر یک مقطع معین را تنش در آن مقطع می نامند. در محاسبات تنش ، علامت مثبت برای نشان دادن تنش کششی (عضو تحت کشش) و علامت منفی برای نشان دادن تنش فشاری ( عضو تحت فشار )به کار می رود. در سیستم یکاهای متریک برای نشان دادن تنش از یکای پاسکال  Pa استفاده میشود که در آن نیرو بر حسب نیوتن و مساحت سطح مقطع بر حسب متر مربع نشان داده می شود.  

بارگذاری محوری و تنش عمودی 

هرگاه نیروهای خارجی وارد بر یک عضو ، دقیقا در امتداد محور مرکزی بر آن وارد شوند ، آن عضو تحت بارگذاری محوری قرار دارد به عبارت دیگر بارگذاری محوری حالتی است که در آن بار وارد بر یک سازه در امتداد محور مرکزی بر آن عضو وارد می شود ، در عمل و در واقیعت این چنین حالتی بسیار نادر است اما برای تفهیم تنش عمودی چنین فرضی لازم می نماید.بنابراین در چنین حالتی ، نیروی وارد بر سازه در یک مقطع عمود بر محور سازه ، کاملا عمود بر مقطع است و تنش حاصل از این نیرو در مقطع نیز کاملا عمود بر مقطع خواهد یود چنین تنشی را تنش عمودی گویند که از  فرمول تقسیم نیروی داخلی بر سطح مقطع به دست می آید.اما در واقع توزیع تنش در سطح مقطع مذکور از نظر استاتیکی نامعین است زیرا مقادیر واقعی تنش در یک نقطه ی مشخص از مقطع بستگی مستقیم با فاصله ی آن نقطه از محل وارد شدن بار بر سطح مقطع دارد بنابراین با توجه به اختلاف تنش در نقاط مختلف سطح مقطع ، نتیجه ی حاصل از تقسیم بار بر سطح مقطع را میتوان میانگین تنش در سطح مقطع دانست .

  تنش برشی

برای تعریف مفهوم تنش برشی در ابتدا باید نیروهایی را که موجب به وجود آمدن این نوع از تنش می گردند شتاسایی و محاسبه گردند این نیروها ، نیروهای برشی نامیده می شوند ، منظور از نیروی برشی در یک عضو سازه ای و یا به تعبیر درستتر نیروی داخلی برشی در یک عضو سازه ای ، نیرویی است که عمود بر محور طولی یک عضو بر آن وارد شده و تاثیر دارد بنابراین نیروهای برشی را می توان نیروی عرضی نیز دانست، تنش حاصل از این گونه از نیروها را تنش های برشی می نامند که نحوه به دست آوردن و محاسبه ی آن همانند تنش عمودی از تقسیم نیرو بر سطح مقطع به دست می آید و آنچه که از این محاسبه و فرمول به دست می آید تنش میانگین در سطح مقطع است تفاوتی که میان این دو تنش وجود دارد علاوه بر نحوه وارد آمدن و خط تاثیر آنها ، در یکنواخت نبودن تنش برشی در سطح مقطع است ، مقدار این نوع از تنش از صفر تا مقدار ماکزیمم متغییر است ، مقدار تنش برشی در سطح عضو صفر و در نقاطی نزدیک به مرکز عضو ماکزیمم است این موضوع کاملا بر خلاف توزیع تنش عمودی در مقطع است.

تنش تکیه گاهی در اتصالها

 در عضوهایی که با پیچ ، پین و یا میخ پرچها به هم اتصال داده می شوند در نتیجه ی وارد آمدن نیروها از سوی این وسایل به عضو ،  تنشهایی در امتداد سطح مقطع و یا سطح تماس آنها با عضو به وجود می آید که تنشهای تکیه گاهی نامیده می شوند.اما از آنجا که توزیع این نیروها و در نتیجه تنشهای متناظر با آنها بسیار پیچیده است ، در عمل ، مقدار میانگین تنش به کار برده میشود که از تقسیم بار بر مساحت مستطیلی که نمایاینگر تصویر پین یا پرچ بر روی مقطع ورق است به دست می آید.   در نهایت و برای تعیین تنشهای موجود در یک سازه دو بعدی می توان سه مرحله را طی نمود :

1 _ تعیین تنشهای عمودی در عضوهای دو نیرویی
2_تعیین تنشهای برشی در اتصالها گوناگون
 3_تعیین تنشهای تکیه گاهی

  تنش در شرایط بار گذاری عمومی

   با در نظر گرفتن جسمی که بارهای متعددی بر آن اثر میکنند و برای پی بردن به شرایط تنش های ایجاد شده در نقطه ای در این جسم ، مقطعی عمود بر محور  X   در آن زده و نیروهای موجود در این مقطع را مورد مطالعه قرار می دهیم.در چنین مقطعی دو نیرو وجود خواهند داشت ، یک نیروی محوری و موازی با محور X    و یک نیروی غیر موازی با این محور که به عنوان نیروی برشی در این مقطع عمل می نماید برای سهولت مطالعه ، نیروی برشی غیر عمود بر محور را به دو نیروی عمود بر هم و در امتداد دو محور Y   و  Z    تقسیم نموده و تنشهای حاصل از این سه نیرو را مورد مطالعه قرار می دهیم،در مقطع مفروض مورد نظر ،  تنشهای به وجود آمده تحت شرایط مذکور، عبارتند از  یک تنش عمودی حاصل از تاثیر نیروی عمودی هم جهت با محور  X  ، یک تنش برشی حاصل از تاثیر نیروی برشی در امتداد محور Y    و عمود بر محور X   ، و در نهایت یک تنش برشی حاصل از تاثیر نیروی برشی در امتداد محور  Z  و عمود بر محور  x این موضوع را میتوان به دو محور دیگر نیز تعمیم داد لذا برای تعیین تنش در یک نقطه مشخص ، تعیین شش مولفه تنش لازم است که عبارتند از سه نیروی محوری در امتدا سه محور مختصات و سه نیروی برشی عمود بر سه محور مختصات.  

 تنش نهایی و تنش مجاز  

 در کاربردهای مهندسی تعیین تنشها به مهندسان در انجام دو کار اساسی زیر کمک می کند 1 . تحلیل سازه ها و ماشینهای موجود یا پیشنهادی ، برای پیش بینی رفتار آنها تحت شرایط بارگزاری مشخص شده 2 . طراحی سازه ها و ماشینهای جدیدی که کار مشخصی را با ایمنی و با صرفه انجام دهند. برای انجام هر یک از کارهای مذکور باید مواد مورد استفاده شناسایی و رفتار آنها تحت بار گذاری مشخص گردد که برای این منظور از آزمایشهای مختلفی استفاده می گردد.تایج حاصل از این آزمایشات بیشترین بار تحمل شده توسط یک ماده را که تحت آن نمونه مورد مطالعه شکسته می شود را مشخص خواهد کرد ، این بیشترین بار تحمل شده توسط یک ماده را بار نهایی آن نمونه می نامند و تنش حاصل از این بار را نیز استحکام نهایی نمونه گویند.این موضوع در انواع مختلف بار وارد آمده بر نمونه صادق است مانند بارهای فشاری ، کششی و.... هر عضو سازه ای باید به گونه ای طراحی شود که بار نهایی آن به طور قابل ملاحظه ای بیشتر از باری باشد که آن عضو در شرایط عادی بارگذاری مجاز به حمل آن است  ؛ این بار را ، بار مجاز ، بار کاری و یا بار طراحی می نامند.بنابراین د ر کلیه طراحی ها ، اعضای سازه ای باید به گونه ای طراحی گردند که بار کاری آنها فاصله قابل ملاحظه ای با بار نهایی عضو داشته باشد تا کارکرد مطمن عضو از این طریق تضمین گردد در این حالت و هنگامی که بار مجاز بر عضوی وارد می گردد ، تنها  کسری از ظرفیت حمل بار نهایی عضو مورد استفاده قرار می گیرد و به تعبیری باقیمانده ظرفیت حمل بار عضو برای اطمینان از کارکرد صحیح آن ذخیره می گردد . به تناسب بار نهایی و بار طراحی در یک عضو سازه ای تنشهای نهایی و تنشهای مجاز نیز به وجود خواهند آمد که برای محاسبات مهندسی در طراحی و تحلیل سازه های مختلف بسیار کاربرد دارند.

ضریب اطمینان  

ضریب اطمینان موضوع دیگری است که بسیار حایز اهمیت است، نسبت بار  نهایی به بار مجاز و یا تنش نهایی به تنش مجاز را ضریب اطمینان گویند که تعیین آن در کارهای مختلف از مهمترین وظایف یک مهندس است زیرا از یک طرف اگر ظریب اطمینانی کوچک مورد استفاده قرار گیرد امکان شکست عضو زیاد و از طرف دیگر اگر ضریب اطمینان بزرگ انتخاب گردد طراحی به صرفه و عملی نخواهد بود لذا انتخاب ضریب اطمینان مناسب برای هر کاربرد معین مستلزم بررسی و قضاوت مهندسی خاص آن مورد است. در اغلب کارها ضریب اطمینان در مشخصات فنی طراحی  یا آیین نامه های صادره توسط مراجع قانونی ، تعیین می گردد