تنش تسلیم فولاد چیست؟

دراین مقاله از شهر نوین عمران ومعماری قصد داریم تا در مورد یکی از خصوصیات مهم مقاطع فولادی تحت نام تنش تسلیم فولاد صحبت کنیم ونکات بسیار مهمی که در هیچ مقاله ی دیگر فاش نشده است را به صراحت در اختیار مهندسین عمران کشورمان قرار دهیم.

به طور کلی در مباحث فنی وعلمی که در مورد فولاد مطرح است ۳ داده برای ما طراحان و مهندسان عمران بسیار مهم و حائز اهمیت میباشد:

1. تنش تسلیم فولاد (Fy)
2. تنش نهایی فولاد (Fu)
3. کرنشی که موجب شکست میشود

درمقاله دیگر از شهر نوین عمران ومعماری که در مورد نمودار تنش و کرنش بود مفصل در مورد موضوع اینکه هر کدام از این سه پارامتر چگونه بدست میآید صحبت کرده ایم و بیان کرده ایم که از طریق یکی از آزمایش های عمرانی به نام آزمایش مقاومت کششی یک میله فولادی استاندارد تحت بار کششی فرار میگیرد و تنش های موجود بر روی میله فولادی موجب تغییر شکل و کرنشی در سطح فولاد میشود که نتایج حاصل از اطلاعات کرنش و تنش را به صورت یک نموداری به نام نمودار تنش – کرنش ترسیم میکنند و یکی از نقاط مهم این نمودارد ، نقطه تنش تسلیم فولاد میباشد.حال در این مقاله پس از بیان مقدمه ای کلی فقط به سراغ تنش تسلیم فولاد میرویم و نکات مهم آن  را مطرح میکنیم.

فولاد چیست؟

قبل از رفتن به سراغ مطالب تخصصی این مقاله (تنش تسلیم فولاد) باید بدانیم اصطلاح فولاد یا پولاد برای آلیاژهای آهن که بین ۰/۰۲۵ تا حدود ۲ درصد کربن دارند بکار می‌رود فولادهای آلیاژی غالبا با فلزهای دیگری نیز همراهند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد.از فولادی که تا ۰٫۲ درصد کربن دارد، برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاد استفاده می‌شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند. فولادی که ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود. فولاد، انواع فراوانی دارد. که همه آن موارد در جدول کلید فولاد قابل دسترس می باشد.

تنش تسلیم فولاد چیست؟

زمانی که درمورد طراحی سازه های فولادی صحبت میکنیم تنها آموزش ایتبس برای ما طراحان اهمیت ندارد . اجازه دهید تا یک مثال خدمت شما عرض کنم. خودرویی را فرض کنید که بسیار پرشتاب و در عین حال ایمن میباشد ! این خودرو مثل سایر خودروها ۴ چرخ ، یک فرمان ، آینه بقل ، دنده و درب ورودی دارد. و یکی از ویژگی های این خودرو شتاب و سرعت بسیار بالای آن میباشد.

در اینجا یک سوال پیش  میآید ، آیا دلیل شتاب وو سرعت این  خودرود همان درب های ورودی است ؟ آیا چرخ ها دلیل سرعت بالا هستند؟ و یا شاید عوامل دیگری که در دیدرس ما نیستند این ستاب و سرعت را تولید میکنند؟

طراحی سازه ها در ظاهر امر همان نرم‌افزار ایتبس و سیف و … هستند اما در پشت پرده عواملی هم هستند که در دیدرس ما مهندسان نیستند اما عوامل واقعی طراحی سازه های ما را تشکیل میدهند.یکی از این عوامل همین تنش تسلیم فولاد میباشد. پس برای ما بسیار مهم است که خصوصیات مهم فولاد را بشناسیم و آن ها را در جای درست بکار بگیریم.برای پیدا کردن خصوصیات مهم فولاد آزمایش های بسیاری روی فولاد انجام میگیرد که یکی از این آزمایش ها آزمایش مقاومت کششی میباشد.

آزمایش مقاومت کششی :

شاید این سوال برای شما  هم پیش آمده باشد که چگونه تنش تسلیم فولاد بدست میاآید؟ جواب این سوال در یکی از آزمایش هایی میباشد که روی فولاد انجام میگیرد.نام این آزمایش ، آزمایش مقاومت کششی فولاد میباشد. به تصویر زیر دقت کنید ، در آزمایش کششی فولاد یک قطعه‌ی فولادی که مطابق استاندارد ها میباشد در ییک دستگاه جک هیدرولیکی ، به صورتی قرار میگیرد که دو سر مقطع فولادی در یک جک قفل شود.این جک به قطعه فولادی ما نیروی کششی وارد میکند.

1. اگر رفتار فولاد را بررسی کنیم متوجه میشویم که تا یک حدی قطعه فولادی این تنش ها را قادر به تحمل میباشد و کرنش و یا تغییر شکل آن متناسب با تنشی میباشد که به آن وارد میشود.
2. بعد ازاینکه تنش فولاد بیش از یک مقدار مسخص شود که این مقدار به نوغ فولاد ربط دارد ، سطح مقطع فولاد به سمت کمتر شدن پیش میرود و سطح مقطع آن کاهش مییابد.
3. این کمتر شدن سطح مقطع تا جایی پیش میرود که در یک نقطه فولاد دچار گسیختگی میشود.

حال اگر اطلاعات ناشی از تغییر شکل فولاد و یا همان کرنش فولاد را بر حسب تنش آن در یک نمودار جمع آوری کنیم به نموداری میرسیم که اسم این نمودار را نمودار تنش و کرنش فولاد میگداریم.

نمودار تنس – کرنش :

اگر بخواهیم دقیق تر بررسی کنیم میتوانیم بگوییم که تنش تسلیم از نمودار تنش و کرنش بدست مآید و خود نمودار تنش و کرنش از آزمایش مقاومت کششی بدست میآید.این نمودار تنش و کرنش فولاد به حدی مهم است که ما یک مقاله اختصاصی برای این مسئله نوشته ایم و شما با کلیلک بر روی ” اینجا ”  میتوانید این مقاله را نیز بخوانید.امابه طور کلی میتوانیم به مطالب زیر در مورد نمودار تنش – کرنش در این مقاله اشاره کنیم:

1. تنشی که ما در این نمودار بررسی میکنیم  ” تنش اسمی ” میباشد که با ” تنش واقعی ” متفاوت است.همانطور که ما میدانیم پارامترتنش ، مقدار حاصل از تقسیم نیرو برروی سطح مقطع یک جسم میباشد و با توجه به اینکه در طول مدت زمان یک آزمایشش مقاومت کششی بر اسساس نیرو های متفوات ما سطح مقطع های متفاوتی را داریم ، پس اگر بخواهیم دقیق بررسی کنیم باید از تنش واقعی استفاده کنیم ، اما باتوجه به اینکه ما طراحان سازه ای بیشتر روی موضوعی به نام نیرو تکیه میکنیم ، میتوانیم از مساحت سطح مقطع و تغییرات آن صرفنظر کرده و از تنش اسمی استفاده کنیم.
2. معمولا تمامی فولاد ها تا یک نقطه درای نمودار خطی هستند ، یعنی باتوجه به اینکه شیب این نمودار برابر مدول الاستیسیته میباشد ، اگر ما یک تنش خاص را به نموداربدهیم کرنش از پیش تعیین شده را انتطار داریم.در این ناحیه یک نکته برای ما بسیار مهم میباشد و آن هم این است که در ناحیه خطی که به اصطلاح به آن ناحیه الاستیک میگویند ، اگر بار را به مقطع وارد کنیم و سپس بار را برداریم ، نمودار به جای اول خود برمیگردد و همین مسئله و نکته ساده سال ها قوانین طراحی را در آمریکا و  سایر کشور ها تحت تاثیر خود قرار میداد.
3. شاید جالب باشد که بدانید فولاد های  متفاوت صرفنظر از تنش تسلیم فولاد های متفاوتی که با هم دارند ،؟ مدول الاستیسیته یکسانی و مشابهی نسبت به هم دارند واین مدول الاستیسیته برابر ۲۰۰ گیگا پاسکال میباشد.
4. بعد از این ناحیه خطی به یک نقطه قابل ملاحظه میرسیم که اسم این نقطه تنش تسلیم فولاد میباشد و در نقطه تنش تسلیم فولاد ، فولاد به اصطللاح کش میآید.
5. در نقاط بعدی این نمودار بیشمار نکته مهم دارد که در این مقاله از آن صرفنظر میکنیم و در مقاله نمودار تنش – ککرنش توضیح داده ایم.

در ادامه مطالب قصد داریم شما را با مطلبی آشنا کنیم که این روزها همانند نقل و نبات میان مهندسان عمران مد شده است و آن اصطلاحی به نام تنش تسلیم‌محتمل فولاد میباشد.

تنش تسلیم محتمل فولاد چیست؟

تنش تسلیم محتمل فولاد ،در طراحی سازه های فولادی به همان انداره اهمیت دارد که دانستن تنش تسلیم فولاد (Fy) در طراحی معمولی سازه مهم می باشد.در مورد تنش تسلیم محتمل فولاد میتوان گفت استحکام تسلیم یا تنش تسلیم (Yield stress) در جامدات به میزان تنش مربوط به انتهای بخش خطی منحنی تنش-کرنش در آزمون کشش تک‌محوره و در سیالات (غیرنیوتنی) به مقدار تنشی که با کاهش آن سیال رفتار شبه جامد (تغییرشکل ناپیوسته) پیدا می‌کند گفته می‌شود.

از آنجایی که تعیین دقیق مقدار تنش‌تسلیم‌فولاد امکان‌پذیر نیست،تنش تسلیم جامدات در کاربردهای مهندسی به مقدار تنشی گفته می‌شود که باعث ایجاد تغییر فرم پلاستیک محسوس یا کرنش به میزان قراردادی (معمولاً در فلزات کرنش دائمی ۰٫۰۰۲ یا کرنش کل ۰٫۰۰۵ در پلیمرها کرنش دائمی ۰٫۰۰۱) شود. این مقدار تا حد زیادی به دقت و قرارداد اندازه‌گیری آن وابسته‌ است

تنش تسلیم محتمل فولاد چرا پدید آمد؟

بر اساس گزارشات منتشر شده از مطالعات  و بررسی های اخیر ، حاشیه ی بین تنش تسلیم واقعی فولاد و آن چه استاندارد هایی نظیر ASTM برای فولاد ها اعلام کرده اند و در حال افزایش است.این حاشیه دلیل به وجود آمدن تنش تسلیم محتمل فولاد میباشد.

به عنوان مثال علت به وجود آمدن تنش تسلیم محتمل فولاد A36 را در عکس پایین با هم بررسی میکنیم:

از جمله دلایل این افزایش تنش تسلیم میتوان به افزودنی هایی از جمله قراضه هایی که در طی روند تولید فولاد در کارخانجات فولاد به محصول اضافه میشوند و هم چنین پروسه ی تولید و نورد کاری  و … اشاره کرد.

آیا تنش تسلیم محتمل فولاد مفید است؟

هر چند ظاهرا این افزایش تنش تسلیم فولاد مسئله ای مطلوب است اما در طراحی سازه های فولادی که قرار است بعضی از اعضا با رفتار شکل پذیر خود جذب نیرو را در سایر اعضا مجاور خود کنترل کنند این افزایش تنش تسلیم مشکلاتی را پدید می‌آورد. و همچنین این مقاومت افزون، در برخی از المانهای لرزه‌ای، بخصوص المانهایی که به صورت فیوز عمل میکنند بایستی به دقت بررسی شود.زیرا برای جذب انرژی در این المانها، میزان تنش تسلیم بایستی به صورت معینی تعیین شود تا زودتر از بقیه قسمتهای سازه وارد حوزه خمیری شوند.

نکته ی تکمیلی:

منظوراز اعضای فیوزی بعضی از اعضای سازه میباشد که در طراحی لرزه ای لازم است با رفتارشکل پذیر خود در محدوده ی غیر الاستیک مانند فیوز عمل کنند.یعنی این که این اعضا حد معینی از نیرو با لنگر را تحمل کرده و نیرو یا لنگرهای کنترل شده ای را به اعضای مجاور خود منتقل میکنند.

برای مفهوم تنش تسلیم محتمل فولاد ضریبی با عنوان Ry معنا پیدا میکند که برای انواع تولیدات فولاد متفاوت است و معادل نسبت مقاومت تنش تسلیم محتمل به حداقل تنش تسلیم تعیین شده میباشد.کاربرد اصلی Ry در طراحی اعضایی است بایستی برای ظرفیت فیوزهای سازه‌ای طراحی شوند.

مثلا اگر بخواهیم یک اتصال مهاربند همگرا را طراحی کنیم، نیروی طراحی برابر حداکثر ظرفیت مورد انتظار مهاربند در کشش است که برابر RyFyAg می‌شود. ضریب Ry برای مورد انتظار نمودن تنش تسلیم محتمل است.یعنی اگر در طراحی Fy=240 MPa در نظر گرفته شود و در عمل مقدار Fy بیشتر از ۲۴۰ MPa شود و نیروی بیشتری به اتصال آن در حین جاری شدن وارد شد، آن اتصال قوی تر از خود مهاربند طراحی شده باشد. برای این منظور بایستی در طراحی اتصال، از تنش تسلیم محتمل یعنی Ry برابر Fy استفاده شود.

طبق آیین‌نامه AISC تنش تسلیم محتمل و تنش نهایی مورد انتظار با ضرب Ry و Rt به ترتیب در تنش تسلیم حداقل و تنش نهایی حاصل می‌شود.

Expected Yield Strength = Ry Fy

Expected Tensile Strength= Rt Fu

دانستن این نکته شاید برای طراحان محترم جالب باشد ککه آیین نامه مبحث دهم مقداری را برای Rt ارائه نمی‌دهد که این مورد از جمله  ضعف های وارده به مبحث دهم مقررات ملی ساختمان میباشد.

کاربرد تنش تسلیم محتمل فولاد در نرم افزار ایتبس :

تنش تسلیم محتمل فولاد ، در طراحی سازه های فولادی  کاربرد بسیاری دارد اما نحوه ی اعمال کردن آن ( تنش تسلیم محتمل فولاد ) از اهمیت بالاتری برخوردار است که بسیاری از مهندسان فرهیخنه از این علم آگاه نیستند.

در طراحی با نرم افزار ایتبس ( که جامع ترین آموزش ایتبس در خود سایت شهر نوین عمران و معماری در کل کشور ارایه شده است ) ما باید دو نوع مقطع فولادی ایجاد کنیم.

• ST37 رولر
• ST37 پلیت

طبق آیین نامه برای مقاطع مختلف ، مقادیر متفاوتی برای تنش تسلیم محتمل فولاد وجود دارد:

• تنش تسلیم محتمل فولاد در مقاطع لوله ای : Ry=1/25
• تنش تسلیم محتمل فولاد در مقاطع I ، L و … شکل : Ry=1/2
• تنش تسلیم محتمل فولاد در ورق ها و تسمه ها : Ry=1/15

در صورت نیاز به مقالات بین المللی در مورد تنش تسلیم فولاد و یا تنش تسلیم محتمل فولاد میتوانید روی اینجا کلیک کنید.