کاربرد اسکلت فولادی پیچ و مهره ای
کاربرد اسکلت فولادی پیچ و مهره ای
چکیده
کیفیت مناسب اتصالات در سازههای فولادی عامل اصلی یکپارچگی سیستمهای سازهای بوده و تخریب بسیاری ازساختمانهای فولادی طبق گزارش زلزله های گذشته ناشی از مشکل جوشکاری اتصالات تعیین شده است. یک اتصال ضعیف ونامناسب می تواند منجر به یک سری زوال های پی در پی و بنیادی در سازه فولادی گردد. با جوشکاری اتصالات حساس مثل جوش شیاری نفوذی اتصال گیردار تیر به ستون در محل کارخانه و نصب اسکلت فولادی صرفا با پیچ کردن قطعات از پیش ساخته شده میتوان علاوه بر تسریع در اجرای پروژه، به ارتقای کیفیت ساخت کمک شایانی نمود. در این مقاله ضمن ارائه
مزایا و معایب اتصالات پیچی، انواع پیچ ها از لحاظ نوع و مقاومت، عملکرد و کاربرد آنها به اختصار بیان گردیده و استفاده ازاتصال پیچی برای پیش سازی ساختمان های فولادی و بهبود کنترل کیفیت اجرایی توصیه می شود.
کلید واژهها: اتصالات پیچی، سازههای فولادی، ضعفهای جوشکاری، پیچ های پر مقاومت، زلزله.
مقدمه
اتصالات در کلیه سازه ها ازجمله سازه های فولادی یکی از اجزای اساسی سازه بوده و عامل اصلی یکپارچگی سیستم های سازه ای می باشند. یک اتصال ضعیف و نامناسب می تواند منجر به یک سری زوال های پی در پی و بنیادی در سازه فولادی
گردد. از آنجا که زوال اعضای سازه ای خیلی کم اتفاق می افتد، بسیاری از زوال های سازه ای ناشی از طراحی ضعیف اتصالات و یا ضعف در جزئیات اجرائی می باشد. در طراحی و اجرای اتصالات ساختمانهای فولادی باید توجه ویژه ای بشود که حتی در
ساختمانهای در حال احداث نیز مشکلات متعددی دیده می شود که به هنگام زلزله شکست جوش و گسیختگی اتصال ساده و .[ یا گیردار تیر به ستون ساختمانهای فولادی زیاد تجربه شده است [ ۱ و ۲ و ۳
امروزه اجزای سازه ای فولادی توسط جوش یا پیچ و یا ترکیبی از این دو به یکدیگر متصل می گردند. تا چند دهه قبل اتصالات توسط جوش و یا پرچ انجام می شد. برای نخستین بار در سال ” ۱۹۴۷ کمیته تحقیقاتی اتصالات پیچی وپرچی ” آمریکا تشکیل شد. این کمیته اولین دستورالعمل خود را در سال ۱۹۵۱ انتشار داد. در این دستورالعمل ضوابط جایگزین نمودن پیچهای پر مقاومت به جای پرچ ارائه گردید. از آن تاریخ به بعد استفاده از پیچ به خصوص پیچ های با مقاومت زیاد بسیار رایج و مرسوم شد به طوریکه امروزه در سازه های فولادی دیگر از پرچ استفاده نمی شود. دلایلی را برای
این تغییر (یعنی استفاده از پیچ به جای پرچ) می توان برشمرد، ازجمله آنکه:
• برای نصب یک پیچ به دو کارگر معمولی نیاز است درصورتیکه یک پرچ توسط چهار کارگر ماهر اجرای می شد.
• اجرای پرچ یک عملیات به علت حمل پرچ گداخته از محل کوره تا محل نصب نسبتا خطرناک و پر سروصدا است.
• اجرای اتصالات پیچی بسیار سریع انجام میگیرد و زمان نصب را به طور چشمگیری کاهش میدهد.
٨۶
ارائه AISC با این وجود ضوابط مربوط به ساخت و اجرای اتصالات پرچی کنار گذاشته نشده است و هنوز توسط آئین نامه
می شود. زیرا بسیاری از سازه های فولادی موجود در گوشه و کنار جهان دارای اتصالات پرچی می باشند و شناخت رفتار
آنها برای ارزشیابی مقاومت این سازه ها و ترمیم سازه های قدیمی الزامی می باشد. به طورکلی، اصول آنالیز و طراحی
اتصالات پرچی نظیر اتصالات پیچی می باشد با این تفاوت که خصوصیات مصالح آنها متفاوت می باشد.
نوع دیگر عامل اتصال، جوش است که بسیار مرسوم بوده و دارای چندین مزیت نسبت به پیچ می باشد. یک اتصال جوشی از
نظر طراحی، براساس مفاهیمی نسبتا ساده استوار می باشد. بعضی از اتصالات پیچی که طراحی و اجرای آنها پیچیده باشد با
شکل باید با I سهولت بیشتر توسط جوش طراحی و اجرا می شوند. به عنوان مثال برای ساخت یک تیر ورق با مقطع
استفاده از نبشی، پرچ و یا پیچ، مهره و واشر بال ها را به جان متصل کرد در صورتیکه توسط جوش این تیر ورق به سادگی
.( قابل ساخت می باشد شکل ( ۱
جوش پرچ
شکل ( ۱): جزئیات شماتیک ساخت یک تیر ورق با استفاده از پرچ (یا پیچ) و جوش
از طرف دیگر جوش نیز مشکلات خاص خود را دارد و یکی از مهمترین موضوعات درهر ساختمان فولادی، کنترل جوشکاری
آن است. جوشکاری باید توسط استادکاران ماهر انجام شده و جوش اجرا شده مورد بازرسیهای لازم براساس نوع جوش قرار
گیرد. بازرسی جوش عملیاتی دقیق، زمان گیر و پرهزینه است. جوشها درهمه بخشها بایستی منطبق بر اطلاعات نقشه بوده و
از لحاظ بعد و طول جوش و کنترل کیفیت لازم بررسی گردد. دراین خصوص حتی ممکن است در یک ساختمان فولادی
بر روی جوش نیاز باشد. در استاندارد ۲۸۰۰ , آزمایشات اولتراسونیک و (NDT) کوچک به انجام آزمایشات غیر مخرب
رادیوگرافی برای کنترل اتصالات جوشی قابهای خمشی ویژه اجباری شده است[ ۴] که البته بسته به تشخیص مهندس ناظر در
سایر حالات نیز انجام می گیرد. این مشکل را میتوان با اجرای جوش در کارخانه به جای جوشکاری در محل به حداقل
ممکن رسانید. اجرای جوش با کیفیت مطلوب در شرایط کنترل شده کارگاهی با سهولت بیشتری نسبت به محل پروژه
میسر می باشد. درصورتیکه اتصال از ترکیب جوش و پیچ ساخته می شود باید عملیات جوشکاری در کارگاه و نصب پیچ ها
در سایت انجام پذیرد. به عنوان نمونه در یک اتصال برشی تیر به ستون، ورق اتصال در کارگاه به بال ستون جوش شده و
.( سپس در محل ساختمان توسط پیچ به جان تیر متصل می شود، شکل ( ۲
شکل ( ۲): اتصال برشی تیر به ستون
٨٧
امروزه استفاده از پیچ به عنوان یک وسیله مناسب و قابل اطمینان در ساخت و اجرای سازه های فولادی بسیار رایج و متداول
گردیده است (اشکال ۳ و ۴). چون عموما در ساخت و تولید پیچ ها از فولادهای مخصوص با عملیات ویژه استفاده می کنند،
مصالح پیچ ها دارای مقاومت گسیختگی به مراتب بالاتر از فولادهای ساختمانی معمولی می باشند. دست یابی به پیچ های
پرمقاومت و با کیفیت مناسب موجب فراهم شدن افق های جدیدی در زمینه اتصالات انواع سازه های فولادی اعم از
ساختمان، پل و تاسیسات صنعتی گردیده است.
شکل ( ۳): در سالهای اخیر استفاده از پیچ به عنوان یک وسیله مناسب و قابل اطمینان در ساخت و اجرای سازه های فولادی
۱۰ تا ۴۰ طبقه در کشور متداول گردیده است.
شکل ( ۴): جهت بهبود کیفیت عملیات جوشکاری در کارگاه و نصب پیچ ها در سایت انجام میپذیرد.
در این مقاله ضمن اشار های به خسارات ساختمانهای فولادی در زلزله، مروری بر جزئیات علل تخریب و خسارات ناشی از ضعف
جوش، ارائه مزایا و معایب اتصالات پیچی، انواع پیچ ها از لحاظ نوع و مقاومت، عملکرد و کاربرد باختصار بیان گردیده و
استفاده از اتصال پیچی برای پیش سازی ساختمان های فولادی، صنعتی کردن ساخت (افزایش سرعت و کیفیت) و ارتقای
کنترل کیفیت اجرایی توصیه می شود.
٨٨
مزایا و معایب اتصالات پیچی:
:[ مزایای اتصالات پیچی به شرح زیر است[ ۵
۱) سرعت نصب و مونتاژ بالا: سرعت نصب و اجرای سازه های فولادی به کمک اتصالات پیچی بسیار بالا بوده و در
مدت کوتاهی می توان یک سازه فولادی را به کمک پیچ سرپا کرد.
۲) امکان بازنمودن سازه و استفاده مجدد: اعضای سازه های فولادی را که با پیچ به یکدیگر متصل شده اند، می توان
از هم جدا نمود و در محل دیگری مجددا آنها را به یکدیگر متصل و سازه جدیدی را احداث نمود. این موضوع در
اجرای سازه های موقت نظیر پل ها و داربست های غیردائم اهمیت ویژه ای دارد.
۳) محدودیت در تامین وسایل و تجهیزات جوشکاری: در مواردی که امکان فراهم نمودن تجهیزات و وسایل نظیر
دستگاه جوش برق مورد نیاز نباشد، استفاده از پیچ در اتصالات به عنوان یک روش جایگزین چاره ساز خواهد بود.
۴) عدم نیاز به کارگر ماهر
۵) بی سروصدا بودن هنگام نصب و اجرا: اصولا اجرای سازه های فولادی به کمک اتصالات پیچی همراه با سروصدای
زیاد نمی باشد. در حالی که اجرای سازه های فولادی به کمک پرچ توام با سروصدای زیاد و در مواردی آزاردهنده
است.
۶) شرایط محیطی کار: برای اجرای مناسب اتصالات جوشی لازم است درجه حرارت محیط، تهویه هوا، محل استقرار
و نیز فضای دسترسی به اتصال در شرایط مناسب و قابل قبولی باشد. در حالی که محدودیت های ذکر شده در
اجرای سازه های فولادی به کمک اتصالات پیچی به مراتب کمتر است.
۷) عدم محدودیت در اعضای اتصال: در اجرای سازه های فولادی ممکن است مواردی پیش آید که امکان جوش
پذیری اعضای سازه به آسانی و با کمک تجهیزات و وسایل موجود میسر نباشد، در این صورت استفاده از اتصالات
پیچی چاره ساز است.
۸) کم هزینه بودن کارهای نصب و اجرا: چون در اجرای سازه های فولادی به کمک اتصالات پیچی، به وسایل
معمولی نیاز بوده و احتیاج به تجهیزات خاص و نیز کارگرهای ماهر و متخصص نمی باشد هزینه اجرای سازه کاهش
می یابد.
۹) ضمنا چنانچه بنا به عللی در هنگام نصب، سفت کردن پیچ ها قبل از اعمال بار به خوبی انجام نشده باشد امکان
محکم کردن دوباره میسر می باشد.
مشکل عمده در اجرای سازه های فولادی با اتصالات پیچی در اثر اجرای غلط و نامناسب سوراخ ها و عدم رعایت میزان پیش
تنیدگی در پیچ ها و عدم انطباق آنها هنگام اجرا و نصب پدید می آید. بنابراین در تعبیه سوراخ های اعضا در کارگاه های
صنایع فلزی باید به دقت محل سوراخ ها تعیین و با وسایل و تجهیزات مناسب عمل سوراخ نمودن اعضا صورت گیرد.
جلوگیری از خوردگی:
دوام اتصالات به درجه خوردگی محیط در دوران سرویس بستگی دارد. خرابی های ناشی از زنگ زدگی باعث گسیختگی پیش
از موقع می شود، بنابراین محافظت در برابر خوردگی به منظور حفظ تمامیت و یکپارچگی سازه در طول عمر خود باید مورد
توجه قرار گیرد. پیچ ها و مهره ها در سازه های فولادی یکی از اجزای مهم بوده که تمامیت کل سازه به آنها بستگی دارد.
برای محافظت در برابر خوردگی می توان از فلزهای مقاوم و یا پوشش های محافظ قبل و بعد از نصب استفاده نمود. استفاده از
اتصالاتی که از آلیاژهای مقاوم ساخته شده اند بهترین راهکار در محیط های بسیار خورنده می باشد. پوشش های محافظ
شامل روی، کادمیوم و فلزات گران قیمتی مانند نیکل و قلع می باشد که باید پیش از نصب مورد استفاده قرار گیرند. در مورد
فلزات فعال تر مانند روی و کادمیوم ضخامت پوشش اهمیت زیادی دارد اما پوشش های نازک نیکل و قلع می تواند در
درازمدت به خوبی از سازه محافظت نماید.
٨٩
انواع پیچ ها:
تقسیم بندی پیچ های معمولی و پیچ های پرمقاومت با توجه به مقاومت نهایی کششی آنها و نوع مصالحی که در ساخت و
تولید آنها به کار می رود، انجام می گیرد. هر دو نوع پیچ معمولی و پرمقاومت دارای شکل ظاهری مشابه یکدیگر هستند.
پیچ های معمولی: مصالح پیچ های معمولی از نوع فولاد نرمه با کربن کم می باشند. پیچ های معمولی در استاندارد
مشخص می شوند. قیمت پیچ های معمولی از پیچ های پرمقاومت کمتر بوده و با قطرهای A با علامت ۳۰۷ ASTM
محدود ساخته می شوند. مورد مصرف آنها در سازه های سبک مانند خرپاهای کوچک، سازه های موقتی و اعضای
درجه دوم سازه ها مانند مهاربندها و لاپه ها می باشد. از پیچ های معمولی به عنوان وسیله کمکی مونتاژ نیز در
اتصالاتی که اعضای اصلی آن توسط جوش و یا پیچ های پرمقاومت متصل می شوند استفاده می شود. براساس
برای این نوع پیچ: AISC آئین نامه J3- جدول ۲
۳۱۰MPa = 3100kg/cm2 = تنش کششی اسمی
۱۶۵MPa = 1650kg/cm2 = تنش برشی اسمی
۴,۸ و ۵,۶ در زمره پیچ های معمولی محسوب می شوند. پیچ ۴,۶ برای ، ۴,۶ ، در استاندارد آلمان، پیچ های ۳,۶
مصرف می شوند. ST و پیچ ۵,۶ برای اتصالات با فولاد ۵۲ ST اتصالات اتکایی از نوع فولاد ۳۷
.[ آلمان برای شناسایی پیچ ها بیشتر مورد توجه می باشد[ ۶ DIN در کشور ما استاندارد
پیچ های پرمقاومت: عرضه پیچ های پرمقاومت تحول زیادی در صنعت سازه های فولادی و اتصالات آنها به وجود
آورد. مصالح پیچ های پرمقاومت از فولاد با کربن متوسط است که خود و مهره آنها به وسیله عملیات مرغوب سازی
(حرارت دهی و کاهش حرارت) تولید می شوند و قبل از شروع عملیات مرغوب سازی حدود ۱۶ تا ۲۵ ساعت
گداخته می شوند.
از A 5600-6300 و ۴۹۰ kg/cm با تنش تسلیم حدود ۲ A و ۴۹۰ A پیچ های با علامت ۳۲۵ ASTM در استاندارد
۸۰۰۰-۹۰۰۰ معرفی می شوند. kg/cm نوع فولاد آلیاژدار با تنش تسلیم ۲
پیچ های پرمقاومت به دلیل قابلیت تحمل خوب نیروهای پیش تنیدگی برای اتصالات اصطکاکی کاربرد وسیع دارند.
پیچ های معمولی ممکن است تحت تاثیر بارهای متناوب نظیر نیروهای ناشی از لرزش، نوسان، ضربه و نیروهای
دینامیکی شل شده و مهره ها از پیچ جدا شوند. برای جلوگیری از شل شدن مهره ها می توان از دو مهره، ورق های
شیاردار بر روی مهره، خار خم شده یا فنری در پشت مهره یا واشر فلزی استفاده نمود.
امکان شل شدن پیچ ها در اتصالات اصطکاکی به علت اعمال نیروی پیش تنیدگی بر روی مهره وجود ندارد و این
نوع پیچ ها برای نیروهای دینامیکی نیز مناسب هستند. برای جلوگیری از شل شدن پیچ ها می توان از چسب های
مخصوص که دندانه پیچ در آن آغشته شده و پس از آن مهره بسته می شود، استفاده کرد.
پیش تنیدگی پیچ های پرمقاومت:
در مواردی که لازم باشد هیچ گونه لغزشی بین ورق های اتصال پدید نیاید، پیچ های پرمقاومت پیش تنیده می شوند. نیروی
.[ پیش تنیدگی باید حتی الامکان بزرگ بوده و از طرفی نباید باعث تغییر شکل دائمی و یا گسیختگی در پیچ شود[ ۶
(kN) جدول ( ۱): حداقل نیروی پیش تنیدگی
(mm) قطر پیچ A پیچ ۳۲۵ A پیچ ۴۹۰
M16 91 114
M20 142 179
M22 176 221
M24 205 257
M27 267 334
M30 326 408
M36 475 595
٩٠
هریک از این مقادیر ۷۰ % مقاومت کششی پیچ مربوطه می باشد.
برای ایجاد نیروی پیش تنیدگی روش های مختلفی وجود دارد که معمول ترین آنها عباتند از:
پیچاندن مجدد مهره ها به مقدار زاویه معین پس از محکم شدن اولیه آنها: جداولی وجود دارد که براساس نسبت
طول پیچ به قطر آن، تعداد دورهای اضافی که می باید مهره پس از محکم کردن اولیه آن چرخانیده شود را ارائه می
نمایند. با استفاده از این جداول و محکم کردن مهره، کشش اولیه مورد نظر در پیچ به وجود می آید.
استفاده از آچارهای مدرج دستی یا مکانیکی: با بهره گیری از این آچار میزان لنگر پیچشی به منظور رسیدن به
کشش مورد نظر در یک پیچ با طول، قطر و رده خاص به صورت کاملا کنترل شده قابل اعمال می باشد.
استفاده از پیچ های مخصوص: این پیچ ها دارای این ویژگی می باشند که تحت اثر نیروی کششی معین، انتهای
ساق پیچ را می توان به راحتی با پیچاندن جدا نمود. برای نصب این گونه پیچ ها می باید از آچارهای مخصوص
استفاده نمود.
استفاده از شاخص اندازه گیری کشش مستقیم: ساده ترین این شاخص ها یک واشر فنری می باشد. وقتی که مهره
محکم می شود با اعمال فشار اولیه دو انتهای واشر که در یک صفحه واقع نمی باشند در یک صفحه قرار می گیرند
و در پیچ نیز کشش متناظر با این فشار حاصل می شود.
انواع اتصالات:
به طور کلی در یک سازه اتصالات به دو گروه اتصالات اصلی و اتصالات ثانویه تقسیم بندی می شوند. در اتصالات ثانویه
.[ استفاده از پیچ های معمولی مجاز و رایج می باشد. در اتصالات اصلی الزاما باید از پیچ های پرمقاومت استفاده شود[ ۵
اتصالات اصلی که با به کارگیری پیچ های پرمقاومت اجرا می شوند به دو گروه اتصالات اصطکاکی و اتصالات اتکایی یا
تماسی تقسیم می شوند. در یک اتصال اصطکاکی نیروی اعمال شده نباید از نیروی اصطکاک بیشتر شود. لذا رعایت
ملاحظات مربوط به اعمال نیروی پیش تنیدگی ضروری می باشد. در پل ها که اتصالات تحت سیکل های زیاد بارهای رفت
و برگشتی قرار می گیرند باید از این نوع اتصالات استفاده شود زیرا درصورتی که لغزش رخ دهد نیروی ناشی از خستگی در
پیچ ها بحرانی می شود. اگر جلوگیری از لغزش یک پارامتر تعیین کننده نباشد می توان از اتصالات اصطکاکی استفاده
نمود. در اکثر سازه ها اتصالات از نوع اتکایی می باشند زیرا لغزش اتصالات یک عامل دلخواه در استهلاک انرژی و در نتیجه
فقط در اتصالات اتکایی می توانند مورد استفاده قرار A کاهش نیروی اعمال شده به عناصر سازه ای می باشد. پیچ های ۳۰۷
گیرند.
گرچه از نظر تئوری در اتصالات اصطکاکی پیچ ها تحت اثر نیروی برشی و نیروی اصطکاکی قرار نمی گیرند ولی باید به
منظور مقابله با امکان افزایش نیرو که منجر به لغزش می گردد این پیچ ها دارای مقاومت برشی و مقاومت اصطکاکی کافی
باشند.
برای سوراخ های استاندارد از رابطه زیر محاسبه می شود: ، Rstr ، مقاومت اتصالات اصطکاکی
تعداد پیچ ها و Nb ،(( حداقل کشش اولیه (براساس جدول ( ۱ Tm ،( در این رابطه ضریب اصطکاک استاتیکی (معمولا ۰,۳۳
تعداد صفحات برش عبوری از ساق یک پیچ می باشد. Ns
ظرفیت پیچ های پرمقاومت:
در یک اتصال، پیچ تحت اثر تنش های برشی، کششی و یا ترکیب آن ها قرار می گیرد. بدین منظور تعیین ظرفیت یک پیچ
.[ در وضعیت های مختلف تنش، پارامتر اساسی طراحی اتصال می باشد[ ۵و ۶
٩١
مقاومت برشی پیچ های پرمقاومت به عبور یا عدم عبور صفحه A • مقاومت برشی: برخلاف پیچ های معمولی ۳۰۷
برش از محدوده حدیده شده ساق پیچ بستگی دارد. در این صورت ظرفیت برشی به میزان
۰,۷۵ کاهش می یابد. مقادیر مقاومت برشی پیچ های پرمقاومت در زیر خلاصه شده است: Athreaded/Aunthreaded
Rn=48Ab : صفحه برش واقع در ساق حدیده شده A پیچ ۳۲۵ : (i)
Rn=60Ab : صفحه برش غیر واقع در ساق حدیده شده A پیچ ۳۲۵ : (ii)
Rn=60Ab : صفحه برش واقع در ساق حدیده شده A پیچ ۴۹۰ : (iii)
Rn=75Ab : صفحه برش غیر واقع در ساق حدیده شده A پیچ ۴۹۰ : (iv)
X را با حرف (iv) و (ii) و پیچ های ردیف (A490‐N و A325‐N بصورت ) N را با حرف (iii) و (i) پیچ های ردیف
مشخص می نمایند. (A490‐X و A325‐X (بصورت
• مقاومت کششی: زمانی که یک پیچ پر مقاومت بدون کشش اولیه تحت اثر نیروی کششی خارجی قرار گیرد،
نیروی کششی درون پیچ با نیروی اعمال شده برابر می باشد. درصورتیکه پیچ پیش تنیده شده باشد، درصد بسیار
زیادی از نیروی کششی خارجی صرف ایجاد نیروهای فشاری اعمال شده به اجزای اتصال می شود. به دلیل آنکه
معمولا کشش بوجود آمده در پیچ های پرمقاومت ناشی از نیروی کششی خارجی در لحظه جدا شدن قطعات از
یکدیگر حدود ۱۰ % بیش از کشش در ابتدای بارگذاری می باشد لذا می باید کلیه پیچ های پر مقاومت که تحت
اثر کشش مستقیم قرار می گیرند صرف نظر از نوع اتصال (اصطکاکی و یا اتکایی) حتما پیش تنیده شوند.
• ترکیب برش و کشش: پیچ ها در اکثر موارد تحت اثر همزمان برش و کشش قرار می گیرند. در این موارد درحالت
کلی اتصال تحت اثر نیروی خارج از مرکز قرار گرفته است. در حالت ساده زیر ، شکل ( ۵)، امتداد نیروی اعمال
شده از مرکز ثقل اتصال می گذرد بنابراین چنین فرض می شود که پیچ ها به نسبت مساوی در تحمل مولفه های
F بار حاصل از نیروی اعمال شده به اتصال مشارکت می نمایند. می توان چنین فرض نمود که مولفه قائم نیروی
را در یک پیچ به وجود می آورد. در این صورت می (Tu)bolt و مولفه افقی این نیرو، کشش (Vu)bolt باعث ایجاد برش
باید رابطه اندرکنش زیر برآورده شود:
شکل ( ۵): اتصال پیچی تحت اثر ترکیب برش و کشش
در این رابطه مقاومت طرح پیچ در کشش و مقاومت طرح پیچ در برش می باشد.
برای اتصالات اصطکاکی که هر پیچ تحت اثر همزمان برش و کشش قرار دارد، بر اثر نیروی کششی اعمال شده نیروی
برای در نظر گرفتن این اثر از ضریب کاهنده برای کاهش مقاومت AISC اصطکاکی کم می شود. آئین نامه
.[ برشی پیچ ها در اتصالات اصطکاکی استفاده می نماید[ ۵
٩٢
• اتصالات با خروج از مرکزیت: در این اتصالات که اصطلاحا اتصالات خارج از مرکز نامیده می شوند برآیند نیروهای
اعمال شده به اتصال از مرکز ثقل پیچ ها نمی گذرد. درصورتیکه اتصال دارای یک صفحه تقارن باشد، مرکز سطح
برش پیچ ها را می توان به عنوان مرکز مختصات انتخاب نمود و فاصله عمود از خط امتداد نیرو تا این مرکز سطح
“خرو ج از مرکزیت” نامیده می شود. اتصال تیر به ستون نشان داده شده در شکل ( ۶) یک اتصال خارج از مرکز
متداول تیر به ستون می باشد.
شکل ( ۶): اتصال با خروج از مرکزیت تیر به ستون
در این اتصال دو سیستم انتقال نیرو و اعمال آن به پیچ ها و جود دارد: اتصال نبشی به جان تیر و اتصال نبشی به
بال ستون. در اتصال نبشی به جان تیر پیچ ها تحت اثر برش و پیچش واقع در صفحه اتصال قرار می گیرند و
ایجاد تنش های برشی و پیچشی می کنند. انتقال نیروی تکیه گاهی تیر به ستون توسط مکانیزم برش و خمش
صورت می گیرد. در این صورت تمامی پیچ های اتصال دهنده نبشی به جان ستون تحت اثر برش قرار گرفته
علاوه بر آن تعدادی از آنها تحت اثر کشش و تعدادی تحت اثر فشار نیز قرار می گیرند. پیچ هایی که در قسمت
فوقانی اتصال قرار گرفته اند تحت اثر ترکیب همزمان برش و کشش و پیچ هایی که در قسمت پایین اتصال می
باشند صرفا تحت اثر برش طراحی می شوند (زیرا نیروی فشاری به وجود آمده ناشی از خمش باعث اتصال هر چه
بیشتر نبشی به بال ستون می شود). بوجود آمدن این نیروی فشاری نه تنها سبب کاهش ظرفیت پیچ ها نمی شود
بلکه بسیار مفید هم می باشد. شایان ذکر آنکه در طراحی لرزه ای اتصالات (به علت ماهیت رفت و برگشتی
نیروها) برای پیچ های پایین چنین اتصالی نیز از همان پیچ های فوقانی (با آرایش یکسان) استفاده می شود.
• اتصال تحت اثر برش خارج از مرکز: نمونه ای از این نوع اتصال و بار برشی اعمال شده در شکل ( ۷) نشان داده شده
است. برای تحلیل این گونه اتصالات دو روش” آنالیز الاستیک ” و ” آنالیز مقاومت نهایی “وجود دارد.
شکل ( ۷): اتصال تحت اثر برش خارج از مرکز
٩٣
در روش آنالیز الاستیک بار برشی خارج از مرکز با یک بار اعمال شده در مرکز سطح پیچ ها و لنگر پیچشی ناشی
از خروج از مرکزیت نیروی برشی جایگزین می شود. در این صورت فرض می شود که کلیه پیچ ها دارای ظرفیت
یکسان در مقابله با نیروی برشی متمرکز و لنگر پیچشی اعمال شده می باشند. به علت آنکه تنش های حاصل
برشی هستند با استفاده از روابط معمول مقاومت مصالح و فرض آنکه رابطه نیرو- جابجایی خطی بوده و تنش های
بوجود آمده از تنش تسلیم فراتر نمی روند کل ظرفیت سیستم به سهولت قابل محاسبه می باشد. این روش گرچه
دقیق نمی باشد ولی به علت سادگی روش محاسباتی و همچنین محافظه کارانه بودن نتایج آن متداول بوده و
بسیار مورد استفاده قرار می گیرد.
با استناد به نتایج آزمایشگاهی مشخص شده است که برای یک پیچ نمی توان تنش تسلیم برشی دقیقی تعیین
نمود. لذا همانگونه که اشاره شد روش آنالیز الاستیک چندان دقیق نمی باشد. روش مقاومت نهایی از روش آنالیز
الاستیک دقیق تر بوده ولی از پیچیدگی محاسباتی بیشتری نیز برخوردار می باشد. این روش براساس فرضیات زیر
استوار می باشد:
– در شرایط زوال، گروه پیچ ها حول یک نقطه به نام مرکز آنی دوران می کنند.
– تغییر شکل هر پیچ در جهت عمود بر شعاع دوران و متناسب با فاصله آن از مرکز آنی می باشد.
– ظرفیت اتصال براساس ظرفیت نهایی دورترین پیچ محاسبه می شود.
– قطعات اتصال داده شده در کلیه مراحل اعمال و انتقال نیرو به پیچ ها دارای رفتار صلب می باشند.
اتصال تحت اثر برش و خمش: در یک چنین اتصالی که نمونه ای از آن در شکل ( ۸) نشان داده شده است لنگر
ناشی از انتقال نیرو به مرکز سطح اتصال) سبب افزایش تنش کششی در پیچ های ردیف بالا می شود. ) Pe خمشی
نیز قرار می گیرند. P واضح است که کلیه پیچ ها بصورت همزمان تحت اثر برش یکسان ناشی از نیروی متمرکز
شکل ( ۸): اتصال تحت اثر برش و خمش
درصورتی که پیچ های پرمقاومت پیش تنیده باشند، سطح تماس بین بال ستون و بال سپری اتصال قبل از آنکه بار خارجی
اعمال شود تحت اثر فشار یکنواخت قرار می گیرد. این تنش فشاری تماسی برابر است با کل نیروی کششی درون پیچ ها
فشار موجود در سطح تماس در ناحیه فوقانی کاهش و در ناحیه تحتانی افزایش می P تقسیم بر سطح تماس. با اعمال بار
یابد. لحظه ای که تنش فشاری در قسمت فوقانی سطح تماس صفر می شود بال سپری اتصال از بال ستون جدا شده و
ناشی از خروج از Pe کشش فقط توسط کشش بوجود آمده در پیچ ها تحمل خواهد شد. طراحی اتصال به علت وجود
.[ مرکزیت با تغییر متغیرهای طراحی و برآورده نمودن رابطه اندرکنش انجام می شود[ ۵
کنترل کیفیت و تضمین کیفیت:
عدم توجه به نیازمندی های کیفی خاص اتصالات پیچی موجب می شود تا اختلاف فاحشی میان اتصالات اجرا شده با
مفروضات طراحی وجود داشته باشد. به منظور حصول اطمینان از کیفیت اتصالات پیچی کنترل های زیر، پیش و پس از انجام
عملیات نصب در سازه های فولادی به ویژه در سازه های با کاربرد خاص و حساس توصیه می شوند.
٩۴
کنترل بازرسی پیچ و مهره: نظام نامه تضمین کیفیت باید در برگیرنده فهرست تمامی بازرسی های مورد نیاز در
زمینه پیچ و مهره های پروژه بوده و مسئول انجام هر بازرسی باید مشخص باشد. این بازرسی ها ممکن است توسط
واحد کنترل کیفیت پیمانکار، بازرس ویژه و یا بازرس خاص پیچ و مهره صورت پذیرد.
بازرسی چشمی از وضعیت عمومی سوراخ ها باید قبل از نصب قطعات و سفت کردن اولیه توسط بازرس صورت
پذیرفته و در رابطه با اتصالات اصطکاکی انجام بازرسی چشمی از وضعیت سطوحی که روی هم قرار می گیرند،
الزامی است.
برنامه کنترل پیچ و مهره: برنامه کنترل کیفیت پیمانکار در زمینه پیچ و مهره باید حداقل موارد زیر را در بر داشته
باشد:
گواهینامه و کارخانه سازنده قطعات به منظور کنترل مطابقت روند تولید با الزامات پروژه اخذ شود.
گواهینامه های کارخانه سازنده در پرونده پروژه نگهداری شود.
محل مناسبی به منظور نگهداری قطعات در نظر گرفته شود.
سیستم مناسبی به منظور کنترل مواد در نظر گرفته شود. همچنین باید کنترل مواد برحسب محموله تولیدی
صورت پذیرد.
یک ابزار کالیبراسیون آچار که حداکثر یک سال قبل در آزمایشگاه معتبر کالیبره شده، موجود باشد.
دستورالعمل های مدون در خصوص روش های بستن و سفت کردن پیچ و مهره تهیه شود.
پرسنل اجرایی باید از روش اتخاذ شده جهت بستن و سفت کردن پیچ و مهره ها مطلع باشند.
بازرسین پیچ و مهره باید دوره های آموزشی مربوطه را گذرانده و دارای دانش کافی باشند.
تائید صلاحیت نصاب پیچ و مهره: پرسنلی که به منظور نصب قطعات و ایجاد نیروی پیش تنیدگی در پیچ های
مقاومت بالا به کار گرفته می شوند باید از حداقل اطلاعات و مهارت های لازم در این خصوص برخوردار باشد.
بکارگیری نیروهای واجد صلاحیت منجر به حصول اطمینان از بکارگیری مواد صحیح در محل خود، احراز شرایط
لازم در خصوص سفت کردن اولیه و اعمال صحیح روش پیش تنیدگی خواهد شد. برنامه تائید صلاحیت نصاب پیچ
و مهره منجر به کاهش زمان بازرسی و همچنین مغایرت های احتمالی می شود. پرسنل مسئول نصب و سفت کردن
پیچ ها باید حداقل اطلاعات زیر را دارا باشند:
شناسایی رده پیچ و مهره ها
اندازه گیری طول پیچ ها
شرایط روغنکاری
استفاده از فهرست کارگاهی پیچ و مهره ها
برآورد شرایط سفت شدن اولیه
روش های صحیح به منظور ایجاد نیروی پیش تنیدگی در پیچ ها
در روش چرخش مهره پرسنل باید اطلاعات لازم در خصوص میزان پیچش مورد نیاز بعد از سفت کردن اولیه، روش
های صحیح علامت گذاری و استفاده از آچار اعمال گشتاور را دارا باشند. در روش استفاده از آچار کالیبره، پرسنل
باید اطلاعات لازم را در خصوص نحوه کالیبراسیون آچار، چگونگی کالیبراسیون مجدد و نحوه استفاده از آن دارا
باشند. در روش استفاده از پیچ با قطعه جداشونده پرسنل باید از اطلاعات لازم در زمینه نحوه بکارگیری آچار
الکتریکی برای سفت کردن اولیه و چگونگی ایجاد نیروی پیش تنیدگی با استفاده از آچار الکتریکی برای سفت
کردن اولیه و چگونگی ایجاد نیروی پیش تنیدگی با استفاده از آچار مخصوص برخوردار باشند.
صلاحیت پرسنل نصاب پیچ و مهره و آگاهی آنها از الزامات فوق و خصوصا روش اعمال نیروی پیش تنیدگی، باید
طی یک آزمون کتبی توسط بازرس پروژه ارزیابی شود. علاوه براین نصاب باید قبل از آغاز عملیات اجرایی سه
آزمایش بستن پیچ و مهره تحت نظارت بازرس انجام دهد. پس از انجام این آزمایش ها، پرسنل می توانند نسبت به
٩۵
نصب قطعات، سفت کردن اولیه و پیش تنیدگی در پیچ های پروژه اقدام نمایند. تائید صلاحیت های نصاب پروژه
.[ نباید هیچ اثری بر میزان بازرسی های حین نصب داشته باشد[ ۵
وظایف بازرس پیچ و مهره: بازرس پیچ و مهره باید به منظور انجام بازرسی های مربوطه هماهنگی کامل و نزدیک با
پیمانکار و سایر بازرسین پروژه داشته باشد. تمامی بازرسی های مورد اشاره در مدارک قرارداد، نظام نامه تضمین
کیفیت و مشخصات فنی و آئین نامه ساختمانی باید توسط بازرس پیچ و مهره صورت پذیرد. بازرسی ها باید در زمان
های مشخص و طی یک برنامه زمان بندی به گونه ای انجام شود که از ایجاد وقفه در عملیات اجرایی اجتناب شود و
پیمانکار ملزم شود تا بلافاصله پس از وقوع هرگونه مغایرت اجرایی، نسبت به اصلاح آن اقدام نماید.
مطالعه دقیق مباحث اجرایی مشخصات فنی، نقشه های قرارداد، نقشه های کارگاهی ساخت و نقشه های نصبی
پروژه
مطالعه تمام “گواهی نامه های مطابقت مواد” که از طرف کارخانه سازنده صادر شده است و حصول اطمینان از
تطابق ویژگی های مواد قطعات با الزامات پروژه
تائید شناسایی مواد پیچ و مهره ها
تائید وجود شرایط مناسب و تحت کنترل جهت انبار قطعات
تائید وجود دستورالعمل های مصوب نصب پیچ و مهره
حصول اطمینان از آگاهی تمام نیروهای کاری از دستورالعمل های نصب پیچ و مهره
مشاهده آزمایش پیش از نصب که در ابتدای کار و به ازای هر محموله انجام می شود.
در روش استفاده از آچار کالیبره، عملیات کالیبراسیون آچار در ابتدای هر شیفت کاری کنترل شود.
کنترل کفایت وضعیت اتصال اعم از وضعیت ابعاد سوراخ ها، عدم وجود وضعیت نامناسب در سوراخ هایی که
گشاد شده و یا برقو زده شده اند.
در اتصالات اصطکاکی، کنترل مناسب بودن وضعیت سطوح ورق های احتمالی که بر روی یکدیگر قرار
می گیرند.
کنترل سفت شدن اولیه تمام پیچ ها قبل از اعمال نیروی پیش تنیدگی
در اتصالاتی که باید پیش تنیده شوند، در قالب یک برنامه زمان بندی مناسب عملیات پیش تنیدگی کنترل
شود تا از صحت انجام این عملیات اطمینان حاصل شود.
هرگونه اختلاف نظر در خصوص دست یابی به میزان پیش تنیدگی مورد نظر باید بلافاصله حل و فصل شود.
گزارش کاملی در خصوص اتصالات مشاهده و بازرسی شده که مورد قبول قرار گرفته اند، تهیه شود. این گزارش
باید طبق برنامه و در زمان های مربوط به مسئول معرفی شده تحویل شود.
نتیجهگیری
زلزلههای قبل به مثابه آزمایشگاه بسیار بزرگ , نکات زیاد ی را که هر یک با صرف هزینه هنگفتی می توانست آزمایش شود به
ما یادآور شده اند. عدم وجود سیستم مقاوم جانبی موثر و عدم تقارن مهاربندی در پلان و ارتفاع (وقوع طبقه نرم) دلیل اصلی
تخریب ساختمانهای با اسکلت فولادی در زلزله های قبل می باشد. اشکالات اجرایی زیادی بوی ژه در اتصالات و نحوه و میزان
جوشکاری آنها, متناقض با آئین نامه ها در ساختمانهای آسیب دیده و در حال احداث دیده می شود . برای جلوگیری از
حوادثی مشابه بم در کشور نباید فرصت را از دست داد و از یکسو باید با بهبود فرهنگ ساخت و ساز در کشور، زمینه های
اصلاح مکانیزم کنترل کیفیت طراحی و نظارت اجرای ساختمان های جدیدالاحداث را فراهم آورد . ساختمانهای فولادی پیچ و
مهره ای جایگزین مناسبی برای موارد متداول با اتصالات جوشی جهت رفع مشکلات اجرائی جوش است . علاوه بر ارتقای
کیفی و امکان پیش سازی و صنعتی کردن ساختمانهای فولادی، با اتصالات پیچ و مهره ای در ساخت پروژه های انبوه سازی
تسریع می شود.