تعریف تمرکز تنش در مهندسی

تمرکز تنش چیست؟

نیروها و تنش ها را می توان همانند تصویر زیر، به صورت جریانی درون مواد در نظر گرفت.

در صورتی که شکل هندسی مواد ثابت نباشد و در قسمت های مختلف تغییر کند، خطوط جریان به هم نزدیک یا از یکدیگر دور می شوند تا نیرو یا تنش اعمال شده، متناسب با شکل جسم درون آن جای گیرند.

اگر ناپیوستگی هایی از قبیل حفره یا شکاف درون ماده وجود داشته باشد، تنش از اطراف این ناپیوستگی ها جریان پیدا می کند و خطوط جریان در مجاورت آن ها فشرده می شود.

در اثر فشردگی ناگهانی خطوط جریان، مقدار تنش در نواحی مذکور به شدت افزایش می یابد که به آن تمرکز تنش می گویند.

در محاسبات، میزان تمرکز تنش با استفاده از پارامتری به نام فاکتور تمرکز تنش در نظر گرفته می شود.

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

برای محاسبه تنش اسمی، باید مقدار تنش حداکثر در ناحیه مورد نظر را در نظر گرفت. به عنوان مثال، در شکل بالا باید از کوچک ترین 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 می گیرند. بر اساس قانون «سنت ونانت» (Saint-Venan) که یک قاعده سرانگشتی است، در فاصله ای برابر با بزرگ ترین بعد سطحی مقطعی که به آن نیرو وارد می شود، تمرکز تنش از بین می رود.

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 ویژه ای برخوردار خواهد بود.

در مواد شکل پذیر، تسلیم موضعی باعث توزیع مجدد و کاهش تنش در اطراف محل تمرکز تنش می شود. به همین دلیل، فاکتور تمرکز تنش در محاسبات مواد شکل پذیر اعمال نمی شود.

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، مجموعه ای از چند پیچ و مهره است. اگر یکی از پیچ ها بشکند، بار بیشتری به پیچ های دیگر وارد خواهد شد.