آزمایش و تحقیق

مقایسه اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای و اسکلت فلزی با اتصال جوشی

مقدمه: سازه اسکلت فلزی مجموعه‌ای از اجزاء سازه ایست که به‌وسیله اتصالات به یکدیگر پیوندیافته‌اند. اتصالات اگر صحیح طراحی نگردند به‌صورت حلقه‌های ضعیف این پیوند درآمده، ایمنی و خدمت‌دهی ساختمان را دچار مخاطره می‌سازند، محاسبه و طرح جزئیات یک اتصال اگر از طرح اعضای اصلی ساختمان مهم‌تر نباشد لااقل در همان درجه اهمیت قرار دارد. هر سازه فلزی ترکیبی از اعضای جدا از هم می‌باشد که این اعضا باید به طریق مناسبی به یکدیگر متصل شوند.

روش‌های مرسوم اتصالات در سازه‌های فلزی

  • اتصالات سازه‌های فلزی پیچ و مهره‌ای
  • اتصالات پرچی
  • اتصالات جوشی

استفاده از پرچ در ایالات‌متحده در سال ۱۹۵۱ با انتشار دستورالعمل کمیته تحقیقاتی پیچ و پرچ که در آن طرح جایگزینی پیچ و مهره به‌جای پرچ داده‌شده بود رفته‌رفته منسوخ و برداشته شد. ازجمله عوامل کنار گذاری پرچ رشد تکنولوژِی جوشکاری و همچنین پروسه پردردسر، تخصصی و زمان‌بر تولید تا اجرا می‌باشد. بااین‌وجود ضوابط مربوط به ساخت و اجرای اتصالات پرچی کنار گذاشته نشده و هنوز توسط آئین‌نامه AICS ارائه می‌شود. شاید بتوان علت آن را وجود اتصالات پرچی در گوشه و کنار دنیا و شناخت و تحلیل آنها برای ارزشیابی مقاومت وترمیم این نوع اتصالات دانست که می‌توان به برج ایفل فرانسه، پربازدید ترین سازه جهان که نیمی از اتصالات ۵/۲ میلیونی آن پرچ می‌باشد اشاره کرد. به‌هرروی از میان انواع روش‌های اتصال در سازه‌های فلزی همواره اعتماد و تکیه فنی و مهندسی بر اتصالات پیچ و مهره‌ای در سازهای فلزی بوده و طبق گزارشات به‌عمل‌آمده بیشترین خسارات در سازه‌های فلزی در هنگام زلزله مربوط به سازهای فلزی جوشی می‌باشد. ازاین‌رو اتصالات حساس مانند جوش شیاری نفوذی گیردار تیر به ستون در محل کارخانه، و نصب اجزاء پیش‌ساخته سازه فلزی به‌وسیله پیچ و مهره صورت پذیرد. ازاین‌جهت علاوه بر تسریع اجرای پروژه، کیفیت اتصالات اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای نیز بهبود چشمگیری می‌یابد.

اسکلت فلزی

در این نوشتار ضمن بررسی محاسن و معایب اتصالات پیچ و مهره‌ای، انواع پیچ‌ها و عملکرد آنها در اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای، توصیه به استفاده از اتصال پیچی برای اتصالات قطعات فلزی می‌شود.

اتصالات در سازه‌های فلزی

  • انواع اتصالات تیر به ستون
  • انواع اتصالات پای ستون
  • اتصال دو تیرآهن به هم و تولید ستون یا تیر دوبل
  • اتصالات بادبندها به ستون و تیرها

اتصالات یادشده با توجه به نوع صلبیت به روش‌های مختلف به یکدیگر اتصال یافته و تشکیل یک قطعه مجزا و در مرتبه بالاتر تشکیل اجزاء متعدد و واحد می‌دهند. که ضمن حفظ یکپارچگی سازه فلزی بتواند وظایف خود را درکشش، خمش، برش و انتقال نیرو انجام دهد.

انواع روش‌های اتصالات در اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای

  • اتصال ساده (مفصلی): این اتصال تنها نیروهای قائم را تحمل می‌کند و انتظار نمی‌رود در محل اتصال هیچ‌گونه برشی باشد.

انواع اتصالات ساده عبارتند از:

  • اتصال نبشی جان: اتصال ساده تیر فرعی ویا اصلی به ستون به‌وسیله جوش ویا پیچ
  • اتصال با نبشی نشیمن (تقویت نشده): این اتصال از طریق نبشی‌هایی به‌عنوان نشست گاهی انعطاف‌پذیر برای نبشی پایدار می‌باشد فقط جنبه اجرایی دارد و طراحی خاصی ندارد.
  • اتصال ساده با نشیمن سخت شده (به راکت): وقتی‌که واکنش تکیه‌گاهی از حد قابل‌قبول برای نشیمن ساده تجاوز نماید، استفاده از نشیمن‌های تقویت‌شده موردتوجه قرار می‌گیرد.
  • اتصال نیم صلب (نیم گیردار): درصورتی‌که لنگر در اتصال بین ۲۰ تا ۹۰ درصد باشد اتصال نیم صلب طراحی می‌شود که عموماً اجرا و عمومیت کمتری را در بردارد.
  • اتصال صلب

انواع اتصالات صلب:

  1. اتصال بال تیر به ستون به‌صورت مستقیم
  2. اتصال با ورق فوقانی و تحتانی
  3. اتصال فلنجی (مقاومت بسیار بالا در زلزله)

اتصال فلنجی

اتصال سازه فلزی با پیچ و مهره

تعریف پیچ: میله استوانه فلزی یا غیرفلزی که روی محیط آن دندانه ایجادشده است.

گام پیچ: به فاصله دو دندانه متوالی گام پیچ گویند.

پیچ‌ها به‌عنوان یک وسیله اتصال مناسب در ساخت و اجرای سازه‌های فولادی ( اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای) بسیار رایج و متداول هستند. ازجمله مزایای استفاده از پیچ در سازه‌های فلزی پیچ و مهره‌ای می‌توان به عدم ایجاد تنش‌های پسماند مشابه اتصالات جوشی، امکان بازنمودن سازه و استفاده مجدد، عدم نیاز به کارگر ماهر، محدودیت در تأمین وسایل و تجهیزات جوشکاری وبی سروصدا بودن هنگام نصب و اجرا اشاره کرد. اما مشکل عمده در اجرای سازه‌های فولادی با اتصالات پیچی اجرای نامناسب سوراخ‌ها وعدم رعایت میزان نیروی پیش تنیدگی می‌باشد.

با توجه به میزان مقاومت نهایی کششی مصالح پیچ، پیچ‌ها به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند:

  • پیچ‌های معمولی
  • پیچ‌های پر مقاومت

مشخصات انواع پیچ

پیچ‌های معمولی

تنش نهایی برای پیچ‌های معمولی در محدوده تا قرار می‌گیرد.

نکته: استفاده از پیچ‌های معمولی تنها در اتصالات اتکایی اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای مجاز می‌باشد.

پیچ‌های پر مقاومت:

تنش نهایی برای پیچ‌های پر مقاومت در محدوده تا قرار می‌گیرد.

نکته: استفاده از پیچ‌های پر مقاومت در اتصالات اتکایی و اصطکاکی مجاز می‌باشد.

تذکر۱: در استاندارد DIN آلمان طبقه‌بندی پیچ‌ها با یک عدد اعشاری که در سرپیچ حک‌شده، مشخص می‌گردد. در این حالت عدد قبل از اعشار معرف (تنش نهایی پیچ) بوه و حاصل‌ضرب یک‌دهم عدد بعد از اعشار در عدد قبل از اعشار (تنش حد تسلیم پیچ) می‌باشد. هردوی این اعداد برحسب نوشته می‌شوند.

تذکر۲: درصورتی‌که دریک اتصال نیاز به نیروی پیش تنیدگی باشد لزوماً باید از پیچ‌های پر مقاومت استفاده شود.

تذکر۳: در مناطق زلزله‌خیز به‌منظور استفاده از اتصالات پیچی لرزه‌گیر، باید از پیچ‌های پر مقاومت همراه با پیش تنیدگی استفاده نمود. به‌عبارت‌دیگر در این مناطق، تمامی اتصالات از نوع اصطکاکی و پیچ‌ها همگی پر مقاومت و پیش‌تنیده می‌باشند. این اتصالات باید با حداقل بار پیش تنیدگی، پیش‌تنیده شوند. سوراخ‌ها نیز باید استاندارد باشند.

انواع سوراخ‌های مورداستفاده در اتصالات پیچی

انواع سوراخ‌های مورداستفاده در اتصالات پیچی عبارتند از:

سوراخ استاندارد: این سوراخ در اتصالات اتکایی و اصطکاکی کاربرد دارد و حداکثر قطر سوراخ در آن عبارت است از:

D’= D+2mm D ≤ ۳۰mm

D = D+3mm D > 22mm

D’: قطر سوراخ D: قطر پیچ

سوراخ لوبیایی کوتاه: این سوراخ در تمامی حالت‌های اتصالات اصطکاکی و همچنین اتصال اتکایی در حالت عمود بر امتداد نیرو مجاز است.

سوراخ لوبیایی بلند: این سوراخ در اتصالات اتکایی در امتداد عمود بر نیرو مجاز بوده و در اتصالات اصطکاکی تنها دریکی از ورق‌های اتصال در امتداد دلخواه می‌تواند وجود داشته باشد.

انواع سوراخ‌های مورداستفاده در اتصالات پیچی

استفاده از جوش در اتصالات

استفاده از جوش در اتصالات

از طرف دیگر معایب جوشکاری شامل:

  • کنترل و بازرسی جوش که زمان‌بر و پرهزینه می‌باشد.
  • نیاز به استادکار ماهر
  • ضریب بالای ایمنی جوش فقط در کارخانه و کارگاه میسر می‌باشد.
  • مشخصات فنی، کیفی و بعد جوش باید مطابق با نقشه باشد که موجب سختی کار برای اجرا می‌باشد.

عواملی که در کیفیت اتصالات جوشی مؤثرند

دستیابی به اتصال جوشی مناسب و رضایت‌بخش، احتیاج به روند سازمان‌یافته دارد که از طراحی اتصال و انتخاب روش جوشکاری شروع‌شده و با انجام عملیات جوشکاری و بازرسی آن پایان می‌یابد. طرح سازه باید از عوامل مؤثر در کیفیت جوشکاری مطلع بوده و آن‌ها را در طرح اتصالات خود به‌کار گیرد.

جوشکاری

برای حصول جوش خوب باید پنج عامل زیر برآورده شود:

  1. روش جوشکاری (Process selection)
  2. آماده‌سازی درز (Preparation)
  3. دستورالعمل جوشکاری (Procedure)
  4. پرسنل (Personnel)
  5. بازرسی و تایید جوش (Prove)

به مجموعه دستورالعمل‌های فوق، قانون پنج P گویند.

مزایای ساخت اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای نسبت به اسکلت فلزی جوشی

  • سرعت اجرا: نسبت به سازه فلزی جوشی بالاتر می‌باشد.
  • سرعت نصب: با توجه به حذف جوش و جایگذاری ساده قطعات در محل نصب و اتصال ساده پیچ و مهره که نیاز به مهارت خاصی ندارد. سرعت نصب اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای نسبت به دیگر سازها بالاتر است.
  • کیفیت ساخت: با توجه به ساخت قطعات در محل کارخانه تحت نظارت و بازرسی دقیق نسبت به سازه‌های فلزی جوشی که در محل ساخته و نصب می‌شود بسیار بالاتر است.
  • پرت مصالح: در سازه‌های فلزی جوشی به دلیل سادگی اتصالات طراح با افزایش ضخامت، ابعاد مقطع و جوشکاری می‌تواند مقاومت سازه فلزی را افزایش دهد. درحالی‌که در اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای با توجه به مانور بیشتر در طراحی، می‌توان از اتصالات خرپایی بیشتر و طبعاً از ابعاد و ضخامت سطح مقطع کاست.
  • ایمنی و پایداری سازه: اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای مقاومت بهتری در مقابل زلزله از خود نسب به دیگر اتصالات در سازه فلزی نشان می‌دهند.
  • هزینه کمتر: با توجه به باز بودن دست طراح درکم کردن ضخامت و ابعاد قطعات، با توجه به اتصالات خرپایی و پیچیده بیشتر، می‌توان انتظار داشت هزینه سازه‌های فلزی پیچ و مهره‌ای نسبت به جوشی پائین باشد.
  • عدم نیاز به فضای کار: قابلت اجرا در شلوغ‌ترین و کم‌حجم‌ترین موقعیت‌ها فراهم است.
  • رواج جهانی: در امریکا و اروپا تقریباً تمام سازه‌ها، پیچ و مهره‌ای هستند. مگر در شرایط خاص و کم‌اهمیت بودن سازه که به‌صورت جوشی اجرا می‌شود.
  • امکان استفاده در مدیریت حوادث: با توجه به نصب و برپایی ساده آن، امکان جمع و جابه‌جایی آن در مواقع حوادث مانند سیل و آتش‌سوزی نیز میسراست.

جوش

جلوگیری از خوردگی:

می‌توان انتظار داشت مشخصات خوردگی هر نوع فولاد بدون در نظر گرفتن خواص فیزیکی و شیمایی و نحوه تولید فولاد، بستگی به درجه رطوبت و آلودگی شیمیایی آب‌وهوا و تناوب خشکی وتر شدن سطح فولاد بستگی داشته باشد.

در صنعت راهکارهایی برای افزایش مقاومت خوردگی ابداع گردیده که در زیر به برخی از آنها اشاره می‌شود.

  • تولید فولاد پر مقاومت کم آلیاژ
  • تولید فولاد با استفاده از آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی مانند مس
  • استفاده از پوشش‌های رنگ‌آمیزی صنعتی و گالوانیزه کردن

انواع عملکرد اتصالات پیچی:

انواع اتصال‌های پیچی اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای: به‌طورکلی دو عملکرد در اتصالات پیچی می‌توان متصور شد که عبارتند از: اتصال اتکایی. اتصال اصطکاکی

عملکرد اتصال اتکایی: در عملکرد اتکایی، پیچ درون سوراخ صفحات اتصال قرار می‌گیرد و مهره بسته می‌شود. هنگامی‌که بار خارجی به پیچ وارد می‌شود، قطعات اتصال لغزش پیدا می‌کند که در اثر آن، یک نیروی فشاری به لبه‌های اتصال وارد می‌شود که تبدیل به نیروی برشی در پیچ می‌گردد. این اتصال تنها برای حالت بارگذاری ثقلی می‌باشد و در طرح لرزه‌ای نباید از این نوع عملکرد در اتصال استفاده نمود. در این اتصال هیچ نیروی پیش تنیدگی در پیچ ایجاد نمی‌شود و برای اجرای این اتصال، تنها سفت کردن پیچ به‌وسیله کارگر کفایت می‌کند.

عملکرد اتصال اصطکاکی: هنگامی‌که پیچ درون سوراخ صفحات اتصال قرار می‌گیرد، علاوه بر مهره باید از واشر نیز استفاده نمود. باید توجه شود که واشر مصرفی در اتصال اصطکاکی نباید از نوع واشر فنری باشد. بر اساس مبحث دهم در طراحی لرزه‌ای تنها باید از این عملکرد طراحی در اتصال استفاده شود. به عبارتی دیگر، در طراحی همه‌ی اتصالات قاب‌های خمشی و قاب‌های دوگانه و نیز اتصالات بادبندی و وصله‌ی ستون‌های باربر جانبی در قاب‌های ساده باید از این نوع عملکرد استفاده نمود. در این نوع اتصال، علاوه بر سفت کردن نخستین پیچ، باید به مقداری که در طراحی مشخص‌شده است، نیروی پیش تنیدگی نیز در پیچ ایجاد شود.

برچسب ها
نمایش بیشتر

محمد احمدی اکبری

مؤسس و مدیر عمران آنلاین | کارشناسی مهندسی اجرایی عمران

2 دیدگاه

  1. سلام من شهر زلزله زده سرپلزهاب مزاحمتان میشم عمران انلاین فقط یه سایت هست یا کاراجرایی هم داره شهر کاملا باید بازسازی بشه اگه امکان داشت شاید همکاری بیشتری داشتیم البته من کارمند هستم رشته مدیریت

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

نوشته های مشابه

بستن
بستن