سازه اسکلت فلزی مجموعه ای از اجزاء سازه ایست که بوسیله اتصالات به یکدیگر پیوند یافته اند. اتصالات اگر صحیح طراحی نگردند بصورت حلقه های ضعیف این پیوند در آمده، ایمنی و خدمت دهی ساختمان را دچار مخاطره می سازند. محاسبه و طرح جزئیات یک اتصال اگر از طرح اعضای اصلی ساختمان مهم تر نباشد لااقل در همان درجه اهمیت قرار دارد. هر سازه فلزی ترکیبی از اعضای جدا از هم می باشد که این اعضا باید به طریق مناسبی به یکدیگر متصل شوند. در این مقاله اتصالات پیچ و مهره با اتصالات جوشی مقایسه شده و مزایا و معایب آن ها ذکر شده است.
انواع اتصالات در سازه های فلزی
استفاده از پرچ در ایالات متحده در سال ۱۹۵۱ با انتشار دستورالعمل کمیته تحقیقاتی پیچ وپرچ که در آن طرح جایگزینی پیچ ومهره به جای پرچ داده شده بود رفته رفته منسوخ و برداشته شد. ازجمله عوامل کنارگذاری پرچ رشد تکنولوژِی جوشکاری و همچنین پروسه پر دردسر، تخصصی و زمان بر تولید تا اجرا می باشد. با این وجود ضوابط مربوط به ساخت واجرای اتصالات پرچی کنار گذاشته نشده وهنوز توسط آئین نامه AICS ارائه می شود. 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 می توان به برج ایفل فرانسه، پربازدید ترین سازه جهان که نیمی از اتصالات ۵/۲ میلیونی آن پرچ می باشد اشاره کرد. به هر روی از میان انواع روش های اتصال در سازه های فلزی همواره اعتماد وتکیه فنی و مهندسی بر اتصالات پیچ ومهره ای در سازهای فلزی بوده وطبق گزارشات بعمل آمده بیشترین خسارات در سازه های فلزی در هنگام زلزله مربوط به سازهای فلزی جوشی می باشد.از این رو اتصالات حساس مانند جوش شیاری نفوذی گیردار تیر به ستون در محل کارخانه، ونصب اجزاء پیش ساخته سازه فلزی به وسیله پیچ ومهره صورت پذیرد. از این جهت علاوه برتسریع اجرای پروژه، کیفیت اتصالات اسکلت فلزیپیچ و مهره ای نیز بهبود چشمگیری می یابد.
در این نوشتار ضمن بررسی محاسن و معایب اتصالات پیچ ومهره ای، انواع پیچ ها و عملکرد آنها در اسکلت فلزی پیچ و مهره ای، توصیه به استفاده از اتصال پیچی برای اتصالات قطعات فلزی می شود.
اتصالات مختلف در سازه های 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 یاد شده با توجه به نوع صلبیت به روش های مختلف به یکدیگر اتصال یافته و تشکیل یک قطعه مجزا و در مرتبه بالاتر تشکیل اجزاء متعدد و واحد می دهند که ضمن حفظ یکپارچگی سازه فلزی بتواند وظایف خود را در کشش، خمش، برش و انتقال نیرو انجام دهد.
انواع روش های اتصال پیچ و مهره ای در اسکلت فلزی
اتصال ساده (مفصلی)
این اتصال تنها نیروهای قائم را تحمل میکند.
انواع اتصالات ساده عبارتند از:
- اتصال نبشی جان
- اتصال با نبشی نشیمن ( تقویت نشده )
- اتصال ساده با نشیمن سخت شده ( براکت )
- اتصال نیم صلب ( نیم گیردار)
اتصال صلب
انواع اتصالات صلب:
- اتصال بال تیر به ستون به صورت مستقیم
- اتصال با ورق فوقانی وتحتانی
- اتصال فلنجی (مقاومت بسیار بالا در زلزله)
اتصال سازه فلزی با پیچ و مهره
تعریف پیچ: میله استوانه فلزی یا غیر فلزی که روی محیط آن دندانه ایجاد شده است.
گام پیچ: به فاصله دو دندانه متوالی گام پیچ گویند.
پیچ ها به عنوان یک وسیله اتصال مناسب در ساخت و اجرای سازه های فولادی (اسکلت فلزی پیچ و مهره ای) بسیار رایج و متداول هستند. ازجمله مزایای استفاده از پیچ در سازه های فلزی پیچ و مهره ای می توان به عدم ایجاد تنش های پسماند مشابه اتصالات جوشی، امکان باز نمودن سازه و استفاده مجدد، عدم نیاز به کارگر ماهر، محدودیت درتامین وسایل وتجهیزات جوشکاری وبی سرو صدا بودن هنگام نصب واجرا اشاره کرد.اما مشکل عمده در اجرای سازه های فولادی با اتصالات پیچی اجرای نامناسب سوراخ ها وعدم رعایت میزان نیروی پیش تنیدگی می باشد.
با توجه به میزان مقاومت نهایی کششی مصالح پیچ، پیچ ها به دو دسته زیر تقسیم می شوند:
- پیچ های معمولی
- پیچ های پرمقاومت
پیچ های معمولی
استفاده از پیچ های معمولی تنها در اتصالات اتکایی اسکلت فلزی پیچ و مهره ای مجاز می باشد.
استفاده از پیچ های پرمقاومت در اتصالات اتکایی و اصطکاکی مجاز می باشد.
درصورتی که در یک اتصال نیاز به نیروی پیش تنیدگی باشد لزوما باید از پیچ های پرمقاومت استفاده شود.
در مناطق زلزله خیز به منظور استفاده از اتصالات پیچی لرزه گیر، باید از پیچ های پرمقاومت همراه با پیش تنیدگی استفاده نمود. به عبارت دیگر در این مناطق، تمامی اتصالات از نوع اصطکاکی و پیچ ها همگی پرمقاومت و پیش تنیده می باشند. این اتصالات باید با حداقل بار پیش تنیدگی، پیش تنیده شوند. سوراخ ها نیز باید استاندارد باشند.
سوراخ لوبیایی کوتاه: این سوراخ در تمامی حالت های اتصالات اصطکاکی و همچنین اتصال اتکایی در حالت عمود بر امتداد نیرو مجاز است.
سوراخ لوبیایی بلند: این سوراخ دراتصالات اتکایی در امتداد عمود بر نیرو مجاز بوده و دراتصالات اصطکاکی تنها در یکی از ورق های اتصال در امتداد دلخواه می تواند وجود داشته باشد.
استفاده از جوش در اتصالات
نوعی دیگر از اتصال جوش است که بسیار مرسوم می باشد. شاید بهترین مزیت آن نسبت به اتصالپیچ و مهره ای طراحی با مفاهیم ساده برای اتصال می باشد. بهترین نمود آن ساخت تیر ورق با سطح مقطع I می باشد. که باید با استفاده از نبشی، پرچ و یا پیچ و مهره و واشر بال ها را به جان متصل کرد، در صورتیکه توسط جوش این تیر ورق به سادگی قابل ساخت است.
از طرف دیگر معایب جوشکاری شامل:
- کنترل و بازرسی جوش که زمان بر و پر هزینه می باشد.
- نیاز به استاد کار ماهر.
- ضریب بالای ایمنی جوش فقط در کارخانه و کارگاه میسر می باشد.
- مشخصات فنی، کیفی و بعد جوش باید مطابق با نقشه باشد که موجب سختی کار برای اجرا می شود.
عواملی که در کیفیت اتصالات جوشی موثرند
دستیابی به اتصال جوشی مناسب و رضایت بخش، احتیاج به روند سازمان یافته دارد که از طراحی اتصال و انتخاب روش جوشکاری شروع شده و با انجام عملیات جوشکاری و بازرسی آن پایان می یابد. طرح سازه باید از عوامل موثر در کیفیت جوشکاری مطلع بوده وآن ها را در طرح اتصالات خود به کار گیرد.
برای حصول جوش خوب باید پنج عامل زیر برآورده شود:
- روش جوشکاری (Process selection)
- آماده سازی درز Preparation
- دستورالعمل جوشکاری (Procedure)
- پرسنل (Personnel)
- بازرسی وتایید جوش (Prove)
به مجموعه دستورالعمل های فوق، قانون پنجP گویند.
جلوگیری از خوردگی
میتوان انتظار داشت مشخصات خوردگی هر نوع فولاد بدون در نظر گرفتن خواص فیریکی و شیمایی ونحوه تولید فولاد، بستگی به درجه رطوبت و آلودگی شیمیایی آب و هوا 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 می شود.
- تولید فولاد پر مقاومت کم آلیاژ
- تولید فولاد با استفاده ازآلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی مانند مس
- استفاده از پوشش های رنگ آمیزی صنعتی وگالوانیزه کردن
انواع عملکرد اتصالات پیچی
انواع اتصال های پیچی اسکلت فلزی پیچ و مهره ای: به طور کلی دو عملکرد در اتصالات پیچی می توان متصور شد که عبارتند از: اتصال اتکایی . اتصال اصطکاکی.
عملکرد اتصال اتکایی: در عملکرد اتکایی، پیچ درون سوراخ صفحات اتصال قرار می گیرد و مهره بسته می شود. هنگامی که بار خارجی به پیچ وارد می شود، قطعات اتصال لغزش پیدا می کند که در اثر آن، یک نیروی فشاری به لبه های اتصال وارد می شود که تبدیل به نیروی برشی در پیچ میگردد. این اتصال تنها برای حالت بارگذاری ثقلی می باشد و در طرح لرزه ای نباید از این نوع عملکرد در اتصال استفاده نمود. در این اتصال هیچ نیروی پیش تنیدگی در پیچ ایجاد نمی شود و برای اجرای این اتصال، تنها سفت کردن پیچ به وسیله کارگر کفایت میکند.
عملکرد اتصال اصطکاکی: هنگامی که 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 ازنوع واشر فنری باشد. براساس مبحث دهم در طراحی لرزه ای تنها باید از این عملکرد طراحی در اتصال استفاده شود. به عبارتی دیگر، در طراحی همهی اتصالات قاب های خمشی وقاب های دوگانه ونیر اتصالات بادبندی و وصله ی ستون های باربر جانبی در قاب های ساده باید از این نوع عملکرد استفاده نمود. در این نوع اتصال، علاوه بر سفت کردن نخستین پیچ، باید به مقداری که در طراحی مشخص شده است، نیروی پیش تنیدگی نیز در پیچ ایجاد شود.
مزایای ساخت اسکلت فلزی پیچ و مهره ای نسبت به اسکلت فلزی جوشی
- سرعت اجرا: نسبت به سازه فلزی جوشی بالاتر می باشد.
- سرعت نصب: باتوجه به حذف جوش و جایگذاری ساده قطعات در محل نصب واتصال ساده پیچ و مهره که نیاز به مهارت خاصی ندارد. سرعت نصب اسکلت فلزی پیچ ومهره ای نسبت به دیگر سازه ها بالاتر است.
- کیفیت ساخت: باتوجه به ساخت قطعات در محل کارخانه تحت نظارت وبازرسی دقیق نسبت به سازه های فلزی جوشی که درمحل ساخته ونصب میشود بسیار بالاتر است.
- پرت مصالح: درسازه های فلزی جوشی به دلیل سادگی اتصالات طراح با افزایش ضخامت، ابعاد مقطع و جوشکاری می تواند مقاومت سازه فلزی را افزایش دهد. در حالی که در اسکلت فلزی پیچ و مهره ای باتوجه به مانور بیشتر در طراحی، می توان ازاتصالات خرپایی بیشتر و طبعا از ابعاد و ضخامت سطح مقطع کاست.
- ایمنی وپایداری سازه: اسکلت فلزی پیچ و مهره ای مقاومت بهتری در مقابل زلزله از خود نسب به دیگر اتصالات در سازه فلزی نشان میدهند.
- هزینه کمتر: می توان انتظار داشت هزینه سازه های فلزی پیچ ومهره ای نسبت به جوشی پائین باشد.
- عدم نیاز به فضای کار: قابلت اجرا در شلوغ ترین وکم حجم ترین موقعیت ها فراهم است.
- رواج جهانی: در امریکا و اروپا تقریبا تمام سازه ها، پیچ ومهره ای هستند. مگر درشرایط خاص و کم اهمیت بودن سازه که به صورت جوشی اجرا می شود.
- امکان استفاده در مدیریت حوادث: با توجه به نصب و برپایی ساده آن، امکان جمع و جابه جایی آن درمواقع حوادث مانند سیل وآتش سوزی نیز میسر است.
- پروسه جوشکاری در دماهای بسیار بالایی اتفاق می افتد، این امر نه تنها باعث می شود مقاومت کششی فلز و سطوح فلزی اتصال کاهش یابد بلکه به ابکاری سطوح فلزی نیز اسیب می زند. علاوه بر این اتصال از طریق جوش قطعاتی که از یک جنس نیستند و اختلاف سایز و در مورد لوله ها اختلاف قطر دارند می تواند دشوار باشد.
- در پروسه جوشکاری دو سطح خود سطوح نیز در پروسه قرار می گیرند و هر گونه خطا در این پروسه می تواند سطح را غیر قابل اتصال مجدد کنند یعنی نیاز به تغییر کامل قطعه که مشکل بزرگی را به وجود می آورد.این در حالی است که اتصالات پیچ و مهره خود سطوح را در پروسه دخیل نمی کنند و به راحتی قابل جایگزینی و تغییر هستند.
- اتصالات جوشی می توانند بسیار زمان بر باشند مخصوصا اگر پروسه بازرسی در عمق برای اتصال الزامی باشد. علاوه بر این پروسه جوشکاری دقیق نیاز به تکنسین های بسیار کارآزموده و با هزینه زیاد هستند. در برخی از صنایع مانند نفت و گاز یافتن چنین تکنسین هایی بسیار دشوار می باشد.
- در ارتباط با اتصالات جوشی باید در نظر داشت در صورتی که عملیات جوشکاری با دقت و کیفیت بسیار بالایی انجام نشده باشد در برخی نقاط تمرکز تنش به وجود خواهد آمد و در این نقاط احتمال شکست اتصال بالا می رود حال آنکه اتصالات پیچ و مهره ای معمولا با ضریب امنیت مناسب تری انتخاب می شوند و احتمال شکست کمتری در اثر تمرکز تنش دارند.
منبع: کارگشا
