اتصالات پیچ و مهره سازه های فولادی

چکیده:
یکی از مهم ترین اجزای سازه های فولادی که وظیفه ی انتقال نیروهای اعضا به یکدیگر و به تکیه گاه ها را بر عهده دارد، اتصالات میان اعضا می باشد. اتصالات پیچی به دلیل سرعت بسیار بالا در اجرا و اطمینان از رفتار آن ها به گونه ی مورد انتظار و شکل صنعتی مطلوب ساخته سازه ای، از بهترین انواع اتصال در سازه های فولادی بوده که در سال های اخیر مورد توجه فراوان قرار گرفته است. اما، در روند ساخت این نوع سازه ها، با توجه به تکنولوژی تولید و ساخت در کشور ما، مواردی از عدم اجرای دست و اصولی دیده می شود. در این مقاله تلاش شده است تا با گرداوری نکات آیین نامه ای و روند تولید با توجه به فرآوری و تکنولوژی موجود، نکاتی را در طراحی، اجرا و از همه مهم تر بازرسی سازه های فولادی با اتصالاتی پیچی ارایه گردد.

واژگان کلیدی: اتصالات سازه های فولادی، عملکرد اصطکاکی و اتکایی، پیش تنیدگی، آزمایش های پیچ و مهره ای.

پیشگفتار

اتصالات در همه ی سازه ها از جمله ساز های فولادی یکی از اجزای سازه بوده و عامل اصلی یکپارچگی سیستم های سازه ای می باشد. به طور کلی تعریف نوع قاب نیز بر اساس نوع و رفتار اتصال صورت میگیرد. یک اتصال ضعیف و نامناسب می تواند منجر به یک سری زوال های پی در پی و بنیادی در سازه های فولادی گردد. از آن جا که زوال دیگر اعضای سازه ای خیلی کم اتفاق می افتد، بسیاری از زوال های سازه ای ناشی از طراحی ضعیف اتصالات و یا ضعف در جزییات اجرایی می باشد که با اندکی دقت در نحوه ی شکست بیشتر سازه های فولادی تحت بارگذاری های گوناگون، قابل مشاهده است که ضعف اتصال چگونه می تواند عاملی بسیار تعیین کننده در خرابی سازه های فولادی باشد.

انواع عملکرد اتصالات پیچی:

انواع اتصال های پیچی: به طور کلی دو فلسفه در عملکرد اتصالات پیچی که عبارتند از: اتصال اتکایی و اتصال اصطکاکی.

۱-۲٫ 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 میشود، قطعات اتصال لغزش پیدا می کنند که در اثر آن، یک نیروی فشاری به لبه های اتصال وارد می شود که تبدیل به نیروی برشی در پیچ می گردد. 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 نوع اتصال هیچ نیروی پیش تنیدگی در پیچ ایجاد نمی شود و برای اجرای این اتصال، تنها سفت کردن پیچ به وسیله ی کارگر کفایت می کند.

۲-۲٫ عملکرد اتصال اصطکاکی: هنگامی که پیچد درون سوراخ صفحات اتصال قرار می گیرد، علاوه بر مهره باید از واشر نیز استفاه نمود. باید توجه شو که واشر مصرفی در اتصال اصطکاکی نباید از نوع واشر فنری باشد بر اساسا بند ۱۰-۳-۵-۳ مبحث دهم ویرایش ۱۳۸۷، در طراحی لرزه ای تنها باید از این فلسفه ی طراحی در اتصال استفاده شود. به عبارتی دیگر، در رطاحی همه ی اتصالات قاب های خمشی و قاب های دوگانه و نیز 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. با اعمال نیروی پیش تنیدگی، در پیچ تحت کشش قرار گرفته و با اعمال بار، بین صفحات اتصال اصطکاک به وجود می آید که باعث عدم لقی و کارکرد کامل اتصال می شود. باید در نظر داشت که شکل پیچ در اتصال اصطکاکی با شکل پیچ در اصتلا اتکایی متفاوت است. به طوری که پیچ های اتصال اصطکاکی دارای سرپیچ بزرگتر هستند.

۱-۲-۲-: زمانی که یک پیچ بر مقاومت بدون کشش اولیه، تحت اثر نیروی کششی خارجی قرار می گیرد، نیروی کششی درون پیچ با نیوی اعمال شده برابر می گردد. در صورتی که پیچ پییش تنیده (پیش کشیده) شده باشد، درصد بسیار زیادی از نیروی کششی خارجی صرف ایجاد نیروهای فشاری و یا گیره ای اعمال شده به اجزای اتصال می شود. به دلیل آن که به طور معمول کشش به وجود آمده در پیچ های پرمقاومت ناشی ا نیروی کششی خارجی در لحظه ی جدا شدن قطعات از یکدیگر نزدیک به ده درصد بیش از کشش در آغاز بارگذاری می باشد، لذا باید همه ی پیچ هایی که تحت اثر کشش مستقیم قرار دارند، پیش کشیده شوند.

۲-۲-۲-: الزامات ضریب اصطکاک سطوح فولادی در اتصالات اصطکاکی: به طور کلی اصطکاک حاصل دو عامل می باشد، یکی زبری سطح و دیگری نیوی پیش تنیدگی. در طراحی فرض بر رنگ نشدن و وجود زبری مناسب سطوح اتصال می باشد، در نتیجه هنگامی که قطعات نصب می شوند، باید همه ی سطوح اتصال (شامل سطوح مجاور سرپیچ ها و مهره ها) از قسمت های پیوسته شده و دیگر مواد زاید عاری بوده و به ویژه سطوح تماس اتصالات اصطکاکی باید به طور کامل تمیز باشد و اثری از پوسته ی زنگ، رنگ، لاک، انواع روغن و مصالح دیگر در آن ها وجود نداشته باشد. بنابراین پس از این که اتصال به وجود آمد، محل همه ی پیچ های بسته شده رنگ آمیزی می شود.

۳-۲٫ محدودیت های اتصالات پیچی: بر اساس فصل ۱۰-۱-۱۰ مبحث دهم، برای اتصالات زیر باید از اتصال اصطکاکی با پیچ پرمقاومت یا اتصال جوشکاری شده استفاده شود:

۱-۳-۲- وصله ی ستون ها در سازه های با ارتفاع ۶۰ متر و بیشتر.

۲-۳-۲ وصله ی ستون ها در سازه های با ارتفاع بین ۳۰ تا ۶۰ متر در صورتی که نسبت بعد کوچک پلان به ارتفاع در آن ها از ۴۰ درصد کمتر باشد.

۳-۳-۲٫ وصله ی ستون ها در سازه های با ارتفاع کمتر از ۳۰ متر در صورتی که نسبت بعد کوچک پلان به ارتفاع در آن ها از ۲۵ درصد کمتر باشد.

۴-۳-۲٫ در سازه های با ارتفاع بیش از ۴۰ متر، برای اتصال همه ی تیرها و شاه تیرها به ستون ها و یا اتصالات هر نوع تیر یا شاه تیری که مهار ستون ها با آن ها مرتبط باشد.

۵-۳-۲٫ همه ی سازه هایی که جرثقیل های با ظرفیت بی از ۵ تن تحمل می کنند. وصله ی خرپاها یا تیرهای شیب دار سقف، اتال خرپاها به ستون ها، وصله ی ستون ها، مهار ستون ها، مهار زانویی بین خرپای تیر سقف و ستون و تکیه گاه های جرثقیل مشمول این امر می باشند.

۶-۳-۲- در اتصالات تکیه گاه های اعضایی که ماشین های متحرک یا بارهای زنده از نوعی را تحمل می کنند که تولید ضربه و یا معکوس شدن تنش ها را به همراه داشته باشند.

۷-۳-۲٫ هر اتصال دیگری که در نقشه های طرح و محاسبه قید شده باشد.

آشنایی با روش های تولید پیچ:

۱-۳٫ روش های نورد و ساخت پیچ: پیچ ها به طور کلی به دو روش فورج سرد و فورج گرم تولید می شوند. روش فورج سرد دارای عیوب کمتر و کیفیت بهتری نبست به فورج گرم می باشد. همچنین باید دانست که در حال حاضر در کشور ما، تنها تا سایز M24 به روش فورج سرد تولید می شود که به این نکته در طراحی باید توجه نمود.

۲-۳٫ روش های پوشش دهی پیچ بر اساس ASTM: ممکن است پس از ساخت، پیچ ها برای جلوگیری از خوردگی پوشش دهی شوند. روش های پوشش دهی عبارتند از:

الف_ پوشش گالوانیزه ی سرد یا الکترولیز،

ب- پوشش گالوانیزه ی مکانیکی (که در ایران کمتر تکنولوژی آن وجود دارد).

پ – پوشش گالوانیزه ی گرم یا غوطه وری گرم

ت- پوشش غیر گالوانیزه یا رنگی.

آیین نامه ی ASTM به طور اکید توصیه می کد که برای پیچ های رده ی ۱۰٫۹ از هیچ پوشش فلزی استفاده نشود، چرا که امکان به وجود آمدن ترک های هیدروژنی در پیچ وجود خواهد داشت. در نتیجه باید توجه داشت که در محیط های خورنده از پوشش های غیر گالوانیزه با گالوانیزه در مرحله ی اسیدشویی ست که باعث فعال شدن یون هیدروژن در فولاد پیچ می شود، در حالی که در روش غیرگالوانیزه، از روش شات بلاست یا پاشش ریزدانه ی فولادی به جای اسیدشویی استفاده می شود.

آزمایش های پیچ، مهره و واشر:

به طور کلی آزمایش های زیر برای ست پیچ و مهره و واشر انجام می شود:

۱-۴٫ آزمایش های ابعادی

۲-۴٫ آزمایش های متالوژیکی

۳-۴٫ آزمایش های مکانیکی

۴-۴٫ آزمایش های پوشش مقاوم خوردگی

آزمایش های ابعادی و نیز متالوژیکی در هنگام تولید پیچ و مهره و واشر، در کارخانه ی سازنده انجام می شود. آزمایش های مکانیکی پس از تولید پیچ و مهره و واشر، در کارخانه ی سازنده یا آزمایشگاه های مقاومت مصالح انجام می گیرند. آزمایش های مکانیکی برای مهندسان طراح و بازرسان دارای اهمیت می باشد. به طور کلی آزمایش های مکانیکی شامل آزمایش های کشش، سختی سنجی و ضربه می شود. آزمایش کشش خود شامل سه نوع آزمایش می شود که عبارتند از : آزمایش بار گواه، آزمایش کشش گوه ای بر روی نمونه ی کامل و ازمایش کشش بر روی نمونه ی ماشین کاری شده.

۱-۴-۴٫ آزمایش ضربه: در آزمایش ضربه که به آن تاب نمونه ی زخم دار نیز می گویند، یک نمونه از مصالح مورد استفاده را برداشته، به کمک دستگاه پاندول دار و سقوط آزاد پاندول، قطعه شکسته شده و خمیزان انرژی جذب شده ی آن را اندازه گپیری می کنند. آزمایش ضربه برای پیچ اجباری نیست اما در صورت امکان باید آن را انجام داد.

۲-۴-۴٫ آزمایش کش: این آزمایش از آزمایش های بسیار معمول باری پیچ می باشد. در آزمایش کشش، پس از بستن کامل پیچ با یک مهره از رده ی مقاومتی بالاتر بر روی دستگاه کشش، با سرعتی مناسب پیچ تا حد تنش تسلیم زیر کشش قرار گرفته و سپس به مدت ده ثانیه در همین حالت باقی می ماند سپس بار کششی از روی پیچ برداشته می شود. در این آزمایش هیچ گونه شکست یا افزایش طول همیشگی در پیچ نباید وجود داشته باشد.

۳-۴-۴٫ آزمایش کشش گوه ای: پس از آزمون کشش این آزمایش بر روی پیچ انجام می شود. الزام آیین نامه برای انجام آزمایش کشش بر روی نمونه ی کامل و واقعی پیچ و مهره ی استفاده شده در پروژه است، مگر در مورادی که محدودیت ظرفیت دستگاه آزمایش وجود دارد و یا طول پیچ خیلی کوتاه است که در این حالت از نمونه ی ماشین کاری شده استفاده می شود. در این آزمایش باید دست کم به مقدار چهار رزوه ی کامل از پیچ بین فک های دستگاه قرار بگیرد. حداکثر سرعت دستگاه نباید از mm/min 25 بیشتر باشد. شکست به وجود آمده تنها باید در بدنه ی پیچ باشد و در صورت بروز شکست در محل اتصال سرپیچ به بدنه، حتی اگر به مقاومت مورد نیاز نیز رسیده باش، نمونه مورد پذیرش نیست. این شکست در پیچ های ساخته شده به روش فورج گرم بیشتر مشاهده می شود و بر همین اساس تا حد امکان باید از پیچ های ساخته شدهبه روش فوج سرد استفاده شود. از آن جایی که در ایران و در حال حاضر تنها تا قطر M24 به روش فورج سرد تولید می شود، در طراحی باید تلاش نمود تا از قطرهای بالاتر ازاستفاده نشود.

۴-۴-۴- آزمایش سختی سنجی: این آزمایش در رده ی آزمایش های غیرمخرب پیچ بوده و برای آگاهی از میزان سختی قطعه و برابری آن با مقدار استاندارد انجام می شود. سختی سنجی برای بخش انتهایی، سطح صاف بدنه و سطح صاف سرپیچ انجام می شود. به طور کلی از سه روش برای آزمون سختی سنجی استفاده می شود که عبارتند از: روش برینل، روش راکول و روش ویکرز.

۵-۴-۴٫ برای مهره از آزمایش کشش استفاده نمی شود و تنها ازآمایش های بار گواه و سختی سنجی بر روی مهره ها انجام می گیرد. برای واشر نیز تنها آزمایش سختی سنجی انجام می شود.

۶-۴-۴٫ جهت انجام آزمایش های لازم برای پیچ و مهره و واشر، باید تعداد نمونه ی لازم بر اساس جدول موجود در نشریه ی ۲۶۴ (آیین نامه ی اتصالات) استفاده شود. باید دانست که از این جدول تنها می توان تعداد نمونه جهت انجام آزمایش برای پیچ ای پوشش دهی شده به هر دو روش گالوانیزه و غیر گالوانیزه را ارایه داده است که برابر جدول زیر می باشد.تولید وتامین انواع پیچ و مهره شش گوش, استادبولت, بولت صفحه ستون, پیچ آلن, پیچ آهنی, پیچ خود کار, پیچ سر استوانه ای دوسو -, پیچ سر تخت خزینه دوسو, پیچ شش گوش, پیچ های بولت و شش گوش,تولید وتامین انواع پیچ و مهره شش گوش, استادبولت, بولت صفحه ستون, پیچ آلن, پیچ آهنی, پیچ خود کار, پیچ سر استوانه ای دوسو -, پیچ سر تخت خزینه دوسو, پیچ شش گوش, پیچ های بولت و شش گوش,اتصالات پیچ و مهره سازه های فولادی