مقدمه
منحنی تنش – کرنش یکی از روشهای نمایش گرافیکی ارتباط تنش با کرنش است که از بارگذاری اجسام با سرعت ثابت و اندازهگیری میزان تغییر شکل حاصل در آزمون کشش بدست میآید. نمودار تنش-کرنش از آزمون کشش، فشار و خمش بدست می آید. دستگاه تست کشش یونیورسال قادر به انجام آزمون کشش، فشار، خمش و ترسیم نمودار تنش کرنش مواد مختلف است. از این منحنی خواص مهم ماده مثل مدول الاستیسته، شکل پذیری، تنش تسلیم، مقاومت نهایی و چقرمگی بدست میآید. وقتی تنش و کرنش را حساب کردیم میتوانیم محاسبات تحلیل و طراحی سازه را انجام دهیم. ارتباط میان تنش و کرنش که هر مادهی خاص از خود نشان می دهد، از طریق منحنی تنش کرنش قابل مشاهده است. این منحنی برای هر ماده منحصر به فرد است. همراه دانشنامه علمی و مهندسی alborziron باشید تا مسائل مهندسی و علمی مرتبط با صنعت فولاد را مورد بررسی قرار دهیم.
مفهوم تنش
نماد نمایش تنش
تنش بوسیله نماد یونانی سیگما (σ) نشان داده میشه، علامت مثبت برای نشان دادن تنش کششی (هنگامی که عضو کشیده میشود ➕) و علامت منفی نشان دهنده تنش فشاری (هنگامی که عضو تحت فشار است ➖) است. از آنجا که تنش σ از تقسیم نیروی محوری بر مساحت مقطع عرضی بدست میآید، واحد آن نیرو بر واحد سطح است. در سیستم SI، نیرو بر حسب نیوتن و مساحت برحسب مترمربع است. پس واحد تنش نیوتن بر مترمربع (N⁄m^2) یا پاسکال میباشد. چون پاسکال واحد بسیار کوچکی برا تنش است معمولا از مگاپاسکال (Mpa) برای تنش استفاده میشود.مفهوم کرنش
میله بر اثر نیروهای محوری دچار تغییر طول میشود. به تغییر طول نسبت به طول اولیه کرنش گفته میشود. کرنش رو با حرف یونانی ε (اپسیلن) نمایش میدهند. چنانچه طول اولیه میله را با حرف L و تغییر طول آن را با حرف یونانی δ (دلتا) نشان دهیم، کرنش بصورت زیر تعریف میشود.
اگه میله تحت نیروی محوری کششی قرار بگیرد، کرنش را کرنش کششی میگویند، در این حالت طول میله بلند میشود. در صورتی که میله تحت فشار قرار بگیرد، کرنش را کرنش فشاری میگویند، در این حالت طول میله کوتاه میشود. معمولا کرنش کششی را مثبت و کرنش فشاری را منفی در نظر میگیرند. از آنجایی که کرنش برابر با نسبت بین دو طول است، لذا یک کمیت بدون بعد است، یعنی فاقد واحد میباشد.
بنابراین کرنش تنها با یک عدد نمایش داده میشود. مقادیر عددی کرنش معمولا بسیار کوچک هستند، زیرا مواد ساختمانی معمولا بر اثر بارگذاری تغییر طول کمی میدهند. به عنوان مثال یک میله فولادی به طول 1 متر را درنظر بگیرید. اگر این میله تحت بارگذاری کششی قرار بگیرد، به اندازه 1.5 میلی متر افزایش طول میدهد. در اینصورت کرنش برابر است با:
منحنی تنش _ کرنش
نماد نمایش تنش
فولاد ساختمانی به علت خواص مکانیکی مناسب و جوش پذیری خوب یکی از پرمصرف ترین فلزات است که در ساختمانها، پلها و برجها و بسیاری از انواع دیگر سازهها مورد استفاده قرار میگیرد. انجام تست کشش متداول ترین آزمون برای بدست آوردن مشخصات مکانیکی فلزات است. شکل کلی منحنی تنش-کرنش فولاد تحت تست کشش در شکل زیر نشان داده شده است. در این منحنی تنش روی محور عمودی و کرنش روی محور افقی ترسیم میشود.نامگذاری فولاد
st37 و st52 دو نوع فولاد ساختمانی متداول در کشور ما هستد. نامگذاری فولاد در کشورمان براساس استاندارد DIN آلمان صورت میگیرد. در این نامگذاری ابتدا دو حرف St که نشان دهنده فولاد ساختمانی معمولیه آورده میشه و بعد مقدار حداقل استحکام کششی نهایی بر حسب کیلوگرم بر میلیمتر مربع میاد. پس st37 دارای مقاومت نهایی 37 و st52 دارای مقاومت نهایی 52 کیلوگرم بر میلی متر مربع است.
تاثیر مقاومت بر منحنی تنش _ کرنش
با توجه به اشکال زیر، میتوان نتیجه گرفت که با افزایش مقاومت فولاد، تغییر شکل (کرنش) نمونه کم میشود (شکل پذیری و مقاومت در جهت عکس هم قرار دارند، در صورتی که یکی زیاد شود دیگری کم میشود).
اگر نمونه بتنی در زمان بارگذاری تحت تاثیر فشار جانبی قرار بگیرد، شرايط نمونه به صورت محصور شده تلقی شده و منحنی تنش-کرنش به صورت اساسی بهبود پیدا میکند. در این حالت مقاومت فشاری و کرنش نهايی نمونه به میزان قابل توجهی افزایش پیدا میکند. اگر در يک عضو بتنی از میلگردهای عرضی به شکل دورپیچ و يا فواصل نزديک استفاده کنیم، تا حدی شرايط محصور شدگی فراهم میشود. ايجاد شرايط محصور شدگی رفتار به مراتب نرمتر و شکل پذيرتری را برای عضو بتنی فراهم میکند. چنین رفتاری برای تامین شکلپذيری سازه در مقابل زلزله و ساير بارهای ارتعاشی، به دلیل امکان جذب انرژی ايجاد شده توسط عضو، بسیار مناسب تلقی میشود.
شکل روبرو مقايسه منحنی تنش-کرنش بتن را در شرايط معمولی و شرايط محصور شده نمايش میدهد. اگر در يک عضو بتنی از میلگرد های عرضی به شکل دورپیچ و يا فواصل نزديک استفاده کنیم، تا حدی شرايط محصور شدگی فراهم میشود. ايجاد شرايط محصور شدگی رفتار به مراتب نرمتر و شکل پذيرتری را برای عضو بتنی فراهم میکند. چنین رفتاری برای تامین شکلپذيری سازه در مقابل زلزله و ساير بارهای ارتعاشی، به دلیل امکان جذب انرژی ايجاد شده توسط عضو، بسیار مناسب تلقی میشود