تمرکز تنش چیست؟
نیروها و تنشها را میتوان همانند تصویر زیر، به صورت جریانی درون مواد در نظر گرفت. در صورتی که شکل هندسی مواد ثابت نباشد و در قسمتهای مختلف تغییر کند، خطوط جریان به هم نزدیک یا از یکدیگر دور میشوند تا نیرو یا تنش اعمال شده، متناسب با شکل جسم درون آن جای گیرند. اگر ناپیوستگیهایی از قبیل حفره یا شکاف درون ماده وجود داشته باشد، تنش از اطراف این ناپیوستگیها جریان پیدا میکند و خطوط جریان در مجاورت آنها فشرده میشود. در اثر فشردگی ناگهانی خطوط جریان، مقدار تنش در نواحی مذکور به شدت افزایش مییابد که به آن تمرکز تنش میگویند.
در محاسبات، میزان تمرکز تنش با استفاده از پارامتری به نام فاکتور تمرکز تنش در نظر گرفته میشود. برای تعیین تنش در مجاورت یک ناپیوستگی، ابتدا باید تنش اسمی در آن ناحیه را به دست آورد و سپس با اعمال فاکتور تمرکز تنش مناسب، مقدار واقعی تنش را محاسبه کرد:
- σmax: تنش واقعی
- σnom: تنش اسمی
- K: فاکتور تمرکز تنش
مطالعه تنش و تمرکز تنش، با تکیه بر مبانی مقاومت مصالح و رفتار مواد تحت بارگذاری مختلف صورت میگیرد. آشنایی با انواع بارها، انواع تنش، انواع کرنش و دیگر مفاهیم اولیه این حوزه، درک مفاهیم پیچیدهتر را ساده میکند.
برای محاسبه تنش اسمی، باید مقدار تنش حداکثر در ناحیه مورد نظر را در نظر گرفت. به عنوان مثال، در شکل بالا باید از کوچکترین سطح مقطع در قسمت پایینی «ماهیچه» (Fillet) برای به دست آوردن تنش اسمی استفاده کرد. خطوط جریان تنش با دور شدن از محل تمرکز تنش، از هم فاصله میگیرند. بر اساس قانون «سنت ونانت» (Saint-Venan) که یک قاعده سرانگشتی است، در فاصلهای برابر با بزرگترین بعد سطحی مقطعی که به آن نیرو وارد میشود، تمرکز تنش از بین میرود.
در مواردی که تنها یک «مسیر بارگذاری» (Load Path) در کل سازه وجود داشته باشد یا مواد مورد تحلیل بسیار شکننده باشند، محاسبه تمرکز تنش از اهمیت ویژهای برخوردار خواهد بود. در مواد شکلپذیر، تسلیم موضعی باعث توزیع مجدد و کاهش تنش در اطراف محل تمرکز تنش میشود. به همین دلیل، فاکتور تمرکز تنش در محاسبات مواد شکلپذیر اعمال نمیشود.
علاوه بر این، هنگامی که یک مسیر بارگذاری اضافی در سازه وجود داشته باشد و تسلیم یک عضو، منجر به توزیع مجدد نیروها در اعضایی با مسیرهای بارگذاری دیگر شود نیز فاکتورهای تمرکز تنش اعمال نخواهند شد. یک مثال برای این شرایط، مجموعهای از چند پیچ و مهره است. اگر یکی از پیچها بشکند، بار بیشتری به پیچهای دیگر وارد خواهد شد.
