طراحی اتصال صلب
اتصالات صلب در قاب‌های خمشی بكار می‌روند و قاب‌های خمشی از سیستم‌های مقاوم در مقابل نیروهای زلزله هستند. در این قاب‌ها به خاطر عدم دقت در تعیین بارهای ناشی از زمین لرزه، تامین شكل‌پذیری اهمیت ویژه‌ای دارد. این عدم یقین، ناشی از كمبود دقت در تعیین جرم، خواص دینامیكی سازه و نیز شتاب وارده به قاب‌ها است.
معیار اساسی در طراحی اتصال
- مقاومت كافی برای تحمل تلاش‌های داخلی (نیروهـای محوری، برشی و خمشی)
- شكل پذیری كافی برای تحمل تغییر شكل‌های ناشی از بار جانبی (تغییر مكان و دوران) در محدوده غیر خطی یا به عبارتی تضمین عملكرد در ناحیه غیر الاستیك
- سختی كافی برای كنترل محدودیت تغییر شكل جانبی سازه
شكل پذیری
قابلیت جذب، اتلاف انرژی و حفظ باربری سازه در خلال بارهای رفت و برگشتی و تغییر شكل‌های غیر خطی بدون كاهش چشمگیر در مقاومت اعضاء.
منحنی چرخه‌ای یا هیسترزیس
در خلال زلزله به دلیل ماهیـت رفـت و برگشـتی آن، سـازه بارها خاصیت بارگذاری – باربرداری را تجربه می‌كنـد. اگر نمودار نیرو – تغییر شكل سازه در زمان تداوم زلزله ترســیم شود، نمــودار حاصــل بــه نمــودار چرخــه هیسترزیس معـروف اسـت. بـدیهی اسـت در انتهـای ارتعاش سـازه نسـبت بـه وضـعیت اولیـه دارای یـك تغییرشكل ماندگار خواهد بود كه بـه دلیـل كـاهش در مقاومت و سختی سازه ایجاد شـده و بـه تغییـر شـكل پسماند معروف است.
دیدگاه آیین نامه‌ها در خصوص طراحی اجزاء شكل پذیر
ستون‌ها
به دلیل اینكه ستون‌ها اصلی‌ترین المان باربر سازه هستند، برای حالت الاستیك (ارتجاعی) و مرزی بین ناحیه الاستیك و غیر الاستیك (ناحیه جاری شدن یا گسیختگی) طرح شوند.
تیرها
برای حالت شكل پذیری طرح می‌شوند زیرا محل خرابی آنها قابل تشخیص است.
اتصالات
به دلیل اینكه ماهیت پیچیده تنها برای حالت الاستیك طرح می‌شوند.
آشكار است كه طرح سازه‌ها باید به گونه‌ای صورت پذیرد كه سازه توانایی جذب انرژی را با رفتار غیر خطی و غیر ارتجاعی خود داشته باشد.
انواع قاب‌های خمشی فولادی تغییر شكل‌های غیر ارتجاعی مختلفی را نشان می‌دهند. هر قدر ضریب رفتار و در نتیجه شكل‌پذیری مورد نظر در سازهای بیشتر باشد، رفتار غیر ارتجاعی آن افزایش یافته و ضرورت تامین شرایطی برای امكان یافتن این رفتار زیاد می‌شود.
بر این اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، قاب‌های خمشی فولادی را از نظر شكل‌پذیری به سه دسته معمولی، متوسط و ویژه (با شكل‌پذیری زیاد) تقسیم می‌كند.
طراحی اتصالات صلب در قاب‌های خمشی با شكل‌پذیری معمولی
بر طبق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان اتصالات خمشی تیرها به ستون‌ها باید برای مقاومت خمشی نهایی تیر (ظرفیت خمشی تیر) طراحی شو. در حالتی كه تیر دارای اتكا جانبی كافی بوده و از طرفی مقطع فشرده باشد ( بال و جان آن فشرده باشد).
اتصال صلب تیر به ستون
اتصال صلب یا اتصال خمشی یا اتصال گیردار به اتصالی گفته می‌شود که چرخش نسبی بین اعضا به علت سختی کافی اتصال بر قرار می‌کند. در این اتصال لنگر خمشی انتهای تیر به ستون منتقل می‌شود. از آنجا که عمده لنگر خمشی تیر در بال‌های آن است، لذا اتصال بال‌هایی تیر به بال یا جان ستون برای انتقال لنگر خمشی لازم است.
البته برای انتقال نیروی برشی تیر به ستون از نبشی که از طرفی به جان تیر و از طرف دیگر به بال یا جان ستون انجام می‌شود. این کار به وسیله جوشکاری یا به وسیله استفاده از نشیمن زیر تیر و یا روش‌های دیگر انجام می‌پذیرد.
در این نوع اتصال به علت ایجاد لنگر منفی در انتهای تیر، لنگر خمشی مثبت، کاهش پیدا کرده و در نتیجه ابعاد تیر محاسبه شده کاهش می‌یابد. چرا که کل تیر یعنی هم قسمت میانی و هم دو انتهای آن در تحمل خمش سهیم می‌شوند. این سازه‌ها نیز به علت شکل پذیری خوب عملکرد مناسبی در مقابل بار زلزله ایفا می‌کنند.
یکی دیگر از کاربرد‌های استفاده از اتصالات گیردار این است که اگر در محلی به علت ملاحظات معماری نتوان از بادبند برای درنظر گرفتن بارهای جانبی سازه در طراحی سازه فولادی استفاده کرد. طراحی قاب‌های خمشی با اتصالات گیردار یک جایگزین مفید برای این امر است.
انواع اتصال گیردار تیر به ستون
اتصال مستقیم تیر به ستون
برای برقراری این اتصال باید از جوش شیاری استفاده کرد. برای انجام دادن جوش شیاری نیاز به پخ زنی بال تیر بوده، ساخت این اتصال مشکلات حین اجرای زیادی در پی دارد، و لذا طراحی این اتصالات متداول نیست.
اتصال تیر به ستون به واسطه ورق انتهایی
در این اتصال تیر به یک ورق انتهایی جوشکاری می‌شود. به این صورت که جوش شیاری برای اتصال این ورق به بال‌های تیر و طراحی جوش گوشه و یا جوش شیاری برای اتصال این ورق به جان تیر طراحی می‌شود. بر روی صفحه انتهایی سوراخ‌هایی نیز تعبیه می‌شود، این تیرهای جوش شده به ورق انتهایی در کارخانه و به صورت پیش ساخته تولید شده و سپس به کارگاه ساختمانی انتقال پیدا می‌کنند. در کارگاه ساختمانی توسط پیچ‌های پر مقاومت این تیر به بال ستون متصل می‌شود.
اتصال گیردار تیر به ستون توسط ورق‌های زیر سری و رو سری
ابتدا بال‌های تیر به ورق‌های زیر سری و رو سری با جوش گوشه یا پیچ و مهره متصل می‌شود و سپس ورق‌ها زیر سری و رو سری به وسیله جوش شیاری نفوذی به بال ستون جوش داده می‌شود.
اتصال تیر به ستون توسط سپری
در این اتصال معمولاً از پیچ و مهره استفاده می‌شود. جان سپری به بال تیر پیچ می‌شود و بال‌های آن به ستون پیچ می‌شود. اگر به هر علتی نتوان از جوشکاری برای برقراری اتصال استفاده کرد، از این روش می‌توان استفاده نمود.
در اتصالات خمشی یا همان گیردار در امتداد بال‌های فوقانی و تحتانی تیر یا ورق‌های اتصال در داخل ستون، از ورق‌هایی برای تقویت جان ستون در برابر تسلیم موضعی بال و جان ستون، چین خوردگی استفاده می‌شود. جهت اطمینان از انتقال درست نیروهای لرزه‌ای از این ورق‌ها که به نام ورق پیوستگی معروف هستند، استفاده می‌شود. این ورق‌ها توسط جوش نفوذی کامل به لبه داخلی بال‌های ستون و از جوش گوشه یا شیاری برای اتصال به جان ستون استفاده می‌شود. فاصله جان ستون بین دو ورق پیوستگی به چشمه اتصال معروف است. در این چشمه باید بتوان نیروی برشی ناشی از تفاوت نیروهای کششی یا فشاری بیشتر از یک طرف را کنترل کرد. می‌توان از یک ورقه به صورت قطری بین دو ورق پیوستگی که به جان ستون جوش داده می‌شود برای این مهم استفاده و آن را طراحی نمود.
اتصال تیر به بال ستون یا به جان ستون
اتصال تیر به جان ستون بسیار مشکل‌تر از اتصال تیر به بال ستون است. نیازمند طراحی خاص است، در سیستم سازهای بعضی از ستون‌ها در دو محور باید رفتار صلب از خود نشان دهند. لذا از اتصال تیر به جان ستون استفاده می‌کنند. برای اتصال تیر به جان ستون از دو روش استفاده می‌شود.
- از نیمرخ سپری که دو لبه بال‌های آنها به دو لبه ستون جوشکاری شیاری می‌شود و جان سپری به جان ستون توسط جوش گوشه انجام می‌شود. به این صورت که تیر بعداً به بال‌های سپری متصل می‌شود.
- از ورق‌های فوقانی که بین دو بال ستون و روی بال فوقانی تیر قرار می‌گیرد و ورق‌های تحتانی تقویت شده که بین دو بال ستون و زیر بال تیر مستقر می‌شود، معمولاً از جوش گوشه برای اتصال ورق‌ها به ستون و تیر به ورق‌ها استفاده می‌شود.
