بهساز سیویل - آموزش عمران به زبان ساده - مفهوم نیرو،تنش و مقاومت

در مهندسی عمران، شناخت مفاهیم بنیادی مانند نیرو، تنش و مقاومت نقش کلیدی در تحلیل و طراحی سازه‌ها ایفا می‌کند. هر سازه‌ای، از یک پل ساده گرفته تا آسمان‌خراش‌های عظیم، تحت تأثیر نیروهای مختلفی قرار دارد که ممکن است ناشی از وزن خود سازه، بارهای خارجی، نیروی باد، زلزله و عوامل دیگر باشند. واکنش مواد و اجزای سازه‌ای به این نیروها از طریق مفاهیمی چون تنش (Stress) و مقاومت (Strength) توصیف می‌شود.

در این مقاله قصد داریم یکی از پایه ای ترین مفاهیم در علم مکانیک جامدات یعنی نیرو را توضیح داده و از مفهوم آن تنش و مقاومت را نتیجه گیری نماییم.

نیرو چیست؟

نیرو در فیزیک جامدات به معنای عاملی است که می‌تواند موجب تغییر در وضعیت حرکت یا شکل یک جسم شود. نیرو می‌تواند باعث شتاب دادن به یک جسم، تغییر جهت حرکت آن، یا تغییر شکل آن گردد. در واقع، نیرو یک اثر فیزیکی است که در تعاملات مختلف بین اجسام به وجود می‌آید. در علم مهندسی عمران ما مفهوم نیرو را از منظر ایجاد تغییر شکل در المان ها بررسی می‌کنیم.

با همین تعریف بالا سه نوع نیرو می‌توان تعریف کرد که هرکدام را به تفصیل توضیح می‌دهیم.

نیرو های فشاری
نیرو های کششی
نیرو های برشی

نیرو فشاری:

نیروی فشاری (Compressive Force) در مهندسی عمران، نیرویی است که به یک جسم یا سازه وارد می‌شود و موجب فشرده شدن یا کاهش حجم آن می‌شود. این نیرو معمولاً به صورت یک نیرو وارد بر دو سطح جسم به کار می‌رود که این سطح‌ها به یکدیگر فشار وارد می‌کنند.

در مهندسی عمران، نیروی فشاری اغلب در سازه‌هایی مانند ستون‌ها، تیرها و دیوارها مشاهده می‌شود که بارهای عمودی بر آن‌ها وارد می‌شود. زمانی که این نیروها به اجسام وارد می‌شوند، جسم تحت تأثیر فشرده‌سازی قرار می‌گیرد که می‌تواند منجر به تغییر شکل، ترک خوردگی یا حتی شکستن سازه شود.

نیروی کششی (Tensile Force) در مهندسی عمران، نیرویی است که به یک جسم یا سازه وارد می‌شود و باعث کشیده شدن و افزایش طول آن می‌شود. به عبارت دیگر، نیروی کششی همان نیرویی است که جسم را در راستای طول خود به سمت بیرون می‌کشد و موجب کشیده شدن یا تغییر شکل جسم به صورت کشش می‌شود.

این نوع نیرو در مواردی که جسم تحت کشش قرار می‌گیرد، مانند کابل‌ها، تیرها و آویزها، مشاهده می‌شود. این نیرو معمولاً در سازه‌های کششی که برای انتقال بار از طریق کشش طراحی شده‌اند، اعمال می‌شود.

نیرو برشی:

نیروی برشی (Shear Force) به نیرویی اطلاق می‌شود که بر جسمی وارد می‌شود و آن را به دو بخش تقسیم می‌کند. به عبارت دیگر، این نیرو موجب می‌شود که لایه‌های مختلف یک جسم یا سازه نسبت به هم حرکت کرده و در نتیجه ممکن است جسم دچار تغییر شکل یا شکست شود. نیروی برشی معمولاً به صورت افقی و در جهت عمود بر طول سازه عمل می‌کند.

توضیح نیرو برشی را با مثالی برای شما آورده ایم تا درک آن راحت تر شود.

زمانی که قیچی را روی لبه‌های کاغذ فشار می‌دهید، نیرویی که از قیچی به کاغذ وارد می‌شود، باعث می‌شود که کاغذ از هم جدا شود. این نیروی وارد شده، همان نیروی برشی است که کاغذ را در جهت عمودی نسبت به طول آن قطع می‌کند.

لنگر خمشی:

اگر برای تعریف لنگر خمشی بگوییم نیرو لنگر خمشی یا اینکه لنگر خمشی نوعی نیرو است اشتباه کردیم.در واقع، لنگر خمشی حاصل ترکیب نیروها است که در اثر اعمال بار بر یک جسم، باعث ایجاد چرخش یا خمیدگی در جسم می‌شود. این نیرو در راستای محور عمودی یا به‌طور دقیق‌تر در راستای یک نقطه یا محور درون جسم عمل می‌کند و نه به‌صورت خطی مانند نیروی فشاری یا کششی.

تصور کنید یک تیر روی دو تکیه‌گاه قرار گرفته و در وسط آن یک بار عمودی وارد می‌شود. این بار نیرویی به تیر وارد می‌کند که در نتیجه آن تیر خم می‌شود. این خم شدن تیر را می‌توان با لنگر خمشی توضیح داد.

نیرویی که بار وارد می‌کند باعث خم شدن تیر می‌شود.

لنگر خمشی به چرخش تیر حول نقاط تکیه‌گاه‌ها اشاره دارد.

پس در نهایت، لنگر خمشی نیروی چرخشی است که در اثر بار وارد شده به یک جسم ایجاد می‌شود و باعث ایجاد خمیدگی می‌گردد، نه یک نیروی ساده مانند فشاری یا کششی.

لنگر پیچشی:

لنگر پیچشی یا گشتاور پیچشی در مهندسی عمران به نیرویی گفته می‌شود که باعث چرخش یا پیچش یک عضو سازه‌ای (مانند تیر، ستون یا محور) حول محور طولی خود می‌شود. این نیرو معمولاً بر اثر اعمال بارهایی خارج از مرکز (یعنی دور از مرکز سطح مقطع) به عضو وارد می‌شود.

حال که با مفهوم انواع نیرو آشنا شدید به سراغ نتیجه گیری از تاثیر نیرو ها رفته و مفهوم جدیدی به نام تنش را تعریف می‌کنیم.

تنش چیست؟

تنش (Stress) در مهندسی عمران به نیروی داخلی اطلاق می‌شود که در یک ماده یا سازه در پاسخ به بارهای خارجی ایجاد می‌شود. وقتی که یک نیرو یا بار به یک سازه وارد می‌شود، این نیرو به ذرات ماده داخل آن سازه منتقل می‌شود و در اثر این انتقال نیرو، تغییرات داخلی مانند تغییر شکل و جابجایی به وجود می‌آید. این نیروهای داخلی که به واحد سطح تقسیم می‌شوند، همان تنش نامیده می‌شوند.در واقع، تنش عبارت است از نیروی وارد شده بر هر واحد سطح از ماده، و معمولاً بر حسب نیوتن بر متر مربع (N/m²) یا پاسکال (Pa) اندازه‌گیری می‌شود. تنش می‌تواند باعث تغییر شکل، شکستن یا شکست سازه‌ها شود و در طراحی سازه‌ها باید به دقت محاسبه و کنترل شود تا سازه از نظر ایمنی پایدار بماند.

در مهندسی عمران معمولا تنش را با واحد های مگاپاسکال،نیوتن بر متر مربع تعریف می‌کنند.

پس متوجه شدیم تنش در حقیقت تاثیر نیرو بر المان مورد بارگذاری است که می‌تواند از انواع تنش فشاری،کششی،برشی یا تنش خمشی باشد.

حالا که با مفهوم تنش آشنا شدید رابطه آن را توضیح می‌دهیم.

رابطه تنش از تعریف آن حاصل شده و عبارت است از نسبت نیرو اعمالی به سطح مقطع مقاومت در برابر نیرو.

در رابطه بالا F نیروی وارده به سطح،A سطح مقطع مقاوم در برابر این نیرو و σc تنش فشاری در شکل بالا می‌باشد.

همچنین تنش کششی که نوعی تنش نرمال است را σt نامیده و رابطه آن ذکر شدده است.

این واحد تنش که نیوتن بر میلی‌متر مربع است را مگاپاسکال که رایج ترین واحد در مهندسی عمران است می‌گوییم.

این نوع تنش که در بالا توضیح دادیم تنش نرمال نامیده می‌شود که نیرو مسقیم به سطح مقاوم اعمال می‌شد اما نوعی دیگری از تنش که تنش برشی است وجود دارد که نیرو به صورت مستقیم با سطح مقاوم در برابر نیرو در تماس نیست و صرفا اثر آن بر سطح مقاوم اثرگذار است.

تنش برشی را τ (تا) نامیده و رابطه آن نسبت نیرو برشی بر سطح مقطع مقاوم ‌می‌باشد.

تنش خمشی:

تنش خمشی در حقیقت تنشی است که بر اثر اعمال لنگر خمشی در یک عضو ایجاد شده و بنا بر نحوه اعمال آن می‌تواند فشاری یا کششی باشد.

همانطور که شکل می‌بینید هنگام اثر گذاری لنگر خمشی بر روی عضو در صورتی که لنگر خمشی مثبت باشد قسمت های بالایی عضو تنش فشاری و قسمت های پایینی تنش کششی را تجربه می‌کنند.

پس از توضیح مفهوم تنش سراغ مقاومت می‌رویم.

مقاومت چیست؟

به زبان بسیار ساده مقاومت در مهندسی عمران به توانایی تحمل نیرو و تنش اطلاق می‌شود.به عبارتی دیگر مقاومت حداکثر نیروی قابل اعمال به المان می‌باشد.

مقاومت کششی:

همانطور که در تصویر بالا مشاده می‌کنید رابطه تنش آورده شده است و با بازنویسی این رابطه و مجهول قرار دادن نیرو می‌توانیم به رابطه مقاومت کششی برسیم . پیشتر گفتیم مقاومت نیرو قابل تحمل یک عضو است در اینجا هم با معلوم بودن تنش مورد نیاز و سطح مقطع عضو می‌‎توان مقدار نیروی قابل تحمل عضو را محاسبه نمود.

میزان تنش مورد استفاده در رابطه بالا متفاوت است و به این بسگی دارد که جنس عضو چیست؟ و هنگام بارگذاری می‌خواهیم به چه حد از گسیختگی برسیم؟

این میزان تنش در آزمایشگاه محاسبه شده و به عنوان مثال برای میلگرد آجدار s-400 تنش تسلیم ۴۰۰ مگاپاسکال می‌باشد.

با قراردادن ۴۰۰ به جای Fy در رابطه Pn و داشتن Ag مقاومت تسلیم میلگرد محاسبه می‌شود.

همچنین این رابطه درست در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان آمده است.

همانطور که پیش تر توضیح دادیم تنش خمشی ناشی از لنگر خمشی اعمال شده روی عضو می‌باشد.و از رابطه فوق قابل محاسبه است.در مخرج این رابطه سطح مقاوم در برابر نیرو درست نصف سطح مقطع عضو می‌باشد.

با ساده سازی این رابطه به رابطه زیر می‌رسیم.