اتصالات در سازه‌های فولادی
جهت وصل کردن یک یا چند قطعه در ساختمان‌های فولادی نیاز به یک قطعه رابطی است. تا دو قطعه بتوانند توسط جوش به هم متصل شوند که این قطعه رابط همان انواع اتصالات است. انواع اتصالات در ساختمان‌های فلزی به شرح زیر است.
- انواع اتصالات تیر به ستون
- انواع اتصالات پای ستون
- اتصال دو تیرآهن به هم و تولید ستون یا تیر دوبل
- اتصالات بادبندها به ستون‌ها و تیرها
انواع اتصالات در ساختمان‌های فولادی
اعضای مختلف یک سازه‌ی فولادی متشکل از اعضای فشاری، كششی و خمشی به یکدیگر و به خودشان با روش‌های مختلف انجام میشود كه شامل اتصال تیر به ستون، اتصال مهاربند به قاب، اتصال پای ستون و وصله‌ها است.
اتصال تیر به ستون
مجموعه به هم پیوسته اعضای یک سازه را معمولاً قاب (Frame) می‌نامند. اصولاً در ساختمان‌های فولادی نحوه اتصال و رفتار قطعات نسبت به یکدیگر در تکیه گاه (محل تقاطع اعضا) در محاسبات حائز اهمیت است. بدون در نظر گرفتن چگونگی رفتار قطعات نسبت به هم، تعیین مشخصات مقاطع ستون‌ها و شاهتیرها میسر نیست. اتصالات در تکیه گاه ساختمان‌های فولادی كه برای به هم پیوستن اعضای سازه به كار می‌رود، عموماً به سه دسته‌ی كلی تقسیم می‌شوند.
- اتصال ساده (مفصلی)
- اتصال نیمه صلب
- اتصال صلب
اتصال ساده تیر به ستون (مفصلی)
در این نوع اتصال تیر می‌تواند آزاد باشد و به راحتی دوران زاویه‌ای به خود بگیرد. بنابر این در این تکیه گاه لنگر گیرداری وجود ندارد. به عبارتی تکیه گاه، لنگری را منتقل نمی‌كند. اتصال با جفت نبشی جان، اتصال با نبشی نشیمن و اتصالات با نشیمن تقویت شده از این گروه هستند كه آنها را اتصالات برشی نیز می‌نامند.
اتصال ساده‌ی تیر با نبشی جان
اتصال ساده‌ی برشی به كمک نبشی جان، برای اتصال تیرچه به شاهتیر یا تیر به ستون به كار می‌رود. در این نوع اتصال، نبشی باید تا سر حد امکان انعطاف پذیر در نظر گرفته شود. در این اتصال ساده‌ی تیر به تیر دو عدد نبشی را در یک سر تیر به جان آن جوش می‌دهند و در سمت دیگر با خال جوش به ستون یا شاهتیر متصل می‌كنند. جوش بین نبشی و ستون یا شاهتیر را بعد از این كه اتصال تنظیم شد، بر روی كار انجام می‌دهند. وقتی كه از نبشی جان برای اتصال تیر به ستون استفاده میشود، فاصله‌ای در حدود ۲۰ میلی متر بین تیر و ستون در نظر گرفته میشود تا نصب تیر ساده باشد. وقتی كه اتصال تیرچه به شاهتیر به نحوی انجام می‌گیرد كه بال‌های فوقانی هر دو در یک تراز واقع میگردد، باید قسمتی از بال تیرچه را زبانه كرد.
اتصال ساده‌ی تیر با نبشی نشیمن
مانند اتصال ساده با نبشی جان، از اتصال با نبشی نشیمن تنها برای انتقال واكنش تکیه گاهی قائم استفاده میشود. بنابراین اتصال نباید در انتهای تیر، گیرداری قابل توجهی ایجاد كند. به این دلیل است كه نبشی نشیمن و نبشی بالایی باید نسبتاً قابل انعطاف باشند. در این نوع اتصال، تیر بر روی یک نشیمن كه هیچ گونه تقویتی در آن صورت نگرفته است، قرار می‌گیرد. ابتدا در كارخانه یا دركارگاه نبشی نشیمن عمل نصب و تنظیم تیر را آسان می‌كند. این نوع نبشی معمولاً در ارتفاع لازم به ستون جوش داده میشود و بعد از نصب ستون، تیر را روی آن سوار نموده و به آن جوش می‌دهند. در این اتصال، نبشی كمکی دیگری در بالای تیر نصب و جوش میشود كه در باربری قائم مشاركت ندارد و تنها برای ثابت نگه داشتن تیر در محل خود و تأمین تکیه گاه عرضی و جلوگیری از غلتیدن آن به كار می‌رود.
سعی میشود اتصال با نبشی نشیمن تا حد امکان انعطاف پذیر باشد تا از آزادی دورانی تیر در تکیه‌گاه جلوگیری نشود و در حقیقت بصورت اتصالی ساده و مفصلی عمل نماید و تکیه گاه عرض نشیمن نباید از ۷/۵ سانتی متر كمتر باشد. طبق ضوابط طراحی، عرض لنگری را تحمل نکند. معمولاً استاندارد ۱۰ سانتی متر برای نشیمن انتخاب میشود. برای این منظور نبشی فوقانی را با ابعاد ظریف انتخاب كرده و فقط دو لبه‌ی انتهایی بال‌های آنرا (در امتداد عرض بال تیر) جوش می‌دهند.
اتصال ساده تیر با نشیمن تقویت شده
وقتی که عکس العمل قائم در محل تکیه‌گاه زیادتر از حد تحمل نشیمن‌های ساده شود، می‌توان از نبشی با ورق تقویت شده استفاده کرد. ضخامت صفحه‌ی نشیمن‌گاه در حدود ضخامت بال تیر انتخاب میشود و از صفحات تقویت کننده (محکم کننده) زیر نشیمن به صورت مستطیلی یا مثلثی که لچکی نامیده میشود، استفاده میگردد.
وقتی که صفحات سخت کننده در زیر یک نشیمن طاقچه‌ای به صورت مثلثی برش داده میشود، صفحه به صورتی متفاوت با حالتی که لبه‌ی آزاد موازی جهت بار وارده است، عمل می‌نماید. این تفاوت خصوصاً در ناحیه‌ای که بیشترین تنش‌ها رخ می‌دهند به وجود می‌آید. در حالت کلی، برش ورق به صورت مثلثی باعث ایجاد اتصالی سختتر از حالت ورق مستطیلی، میشود.
با این که این اتصال برای نیمرخ‌های تک هم قابل استفاده است، ولی نیمرخ‌های زوج به دلیل عکس العمل‌های تکیه گاهی با‌لاتر، نیاز بیشتری به تکیه گاههای تقویت شده دارند. لازم به ذکر است جهت جوش دادن ورق سخت کننده در داخل نبشی تکیه گاه نکات زیر باید رعایت شود.
- جهت حرکت جوشکاری از گیرداری بیشتر به سمت آزادی بیشتر است یعنی از محل کنج داخلی نبشی به سمت بیرون.
- در انتهای جوش هر طرف سخت‌کننده یک برگشت به سمت مقابل (قالب کردن جوش) انجام شود.
- از ایجاد حوضچه‌ی جوش پرنشده خودداری شود.
اتصال خورجینی
اتصال خورجینی در گذشته متداولترین شكل اتصال در ساختمان‌های اسكلت فلزی در ایران بود. نحوه‌ی اجرای اتصال خورجینی بدین طریق است كه تیرهای باربر از طرفین ستون‌ها به طور یك سره عبور داده می‌شوند و روی نبشی‌هایی كه در طرفین ستون نصب شده‌اند، قرار می‌گیرند. معمولاً در بالای هر تیر یك نبشی قرار می‌دهند، لذا اتصال خورجینی تامین كننده‌ی نشیمن برای عبور یك جفت تیر سرتاسری از طرفین ستون است.
كاربرد گسترده‌ی این اتصال در ایران به علت سادگی اجرا، كاهش هزینه، كم كردن نیمرخ بال پهن و قابلیت استفاده از شماره‌های بالای نیمرخ IPE بوده است. یكی از اجزای كلیدی در اتصال خورجینی، نبشی‌های بالا و پایین اتصال است. تیرهای اصلی قاب‌ها كه به صورت یك سره از كنار ستون‌ها عبور كرده‌اند، روی نبشی‌های نشیمن سوار می‌شوند و معمولاً از یك نبشی اتصال كوچك نیز برای اتصال بال فوقانی تیر به ستون استفاده میشود كه مقداری گیرداری در اتصال به وجود می‌آورد. نبشی تحتانی با عرض پهن تر از پهنای بال تیر I شكلی كه بر روی آن قرار می‌گیرد، انتخاب میشود و این عمل به خاطر فراهم نمودن سطحی است كه بتوان تیر را به نبشی جوش داد. وقتی كه ستون‌ها به صورت خوابیده بر روی زمین آماده‌سازی می‌شوند، نبشی‌های تحتانی در محل‌های خود جوش جوشکاری نبشی نشیمن روی زمین می‌شوند و پس از نصب ستون‌ها و قرار دادن تیرها بر روی نبشی‌های تحتانی، بال تیر به نبشی تحتانی به صورت افقی جوش شده و سپس نبشی فوقانی نصب و به بال فوقانی تیر جوش میشود. قاب با اتصال خورجینی فقط برای تحمل بارهای قائم طراحی می‌شوند. این اتصال در مقابل بارهای جانبی عملكرد خوبی ندارد و تنها برای تحمل بارهای قائم مناسب است. بارهای جانبی را باید سیستم‌های دیگری از جمله مهاربندها تحمل كنند.
یكی دیگر از مشكلات اتصال خورجینی هنگامی بروز می‌كند كه تیرها در دو طرف، دهانه‌های نامساوی را پوشش دهند. در این صورت دهانه‌های نامساوی عكس العمل‌های نامساوی را در برابر بارهای وارده نشان خواهند داد و افزایش لنگرها را موجب می‌شوند. عدم اتصال تیرهای موازی به هم و نامساوی بودن دهانه‌ی طرفین، باعث میشود كه نتوانند با هم كار كنند.
اتصال صلب تیر به ستون
در تکیه گاه کاملاً گیردار، دوران زاویه‌ای (چرخشی) بین تیر و ستون انجام نمی‌گیرد، در این نوع اتصال تکیه گاهی، تامین درصد گیرداری در حدود ۹۰ درصد یا بیشتر برای جلوگیری از تغییر زاویه ضرورت دارد. مقصود طراح در هنگام استفاده از اتصال صلب تیر به ستون این است که اتصال قادر به انتقال کامل لنگر باشد و هیچ گونه چرخش نسبی بین اعضای وارد به اتصال به وجود نیاید. تنوع اتصالات صلب تیر به ستون آنقدر زیاد است که مشکل بتوان لیست کاملی از آنها تهیه نمود، لیکن اتصاالت رایج نشان داده شده، امروزه به نحو گسترده‌تری مورد استفاده قرار می‌گیرند. قسمتی از جوش اغلب این اتصالات در کارخانه یا در روی زمین انجام میشود و مابقی آن پس ازنصب توسط جوش در محل و یا پیچ‌های پرمقاومت تکمیل میشود.
اتصال مستقیم
بال فوقانی و تحتانی به طور مستقیم و بدون هیچ واسطه‌ای با جوش شیاری با نفوذ کامل به ستون جوش شده است. اجرای این جزییات در پای کار مشکل است، زیرا طول تیر باید دقیقاً به اندازه‌ی فاصله‌ی آزاد دو ستون بریده شود که این عمل به راحتی امکان پذیر نیست.
اتصال با ورق زیرسری و روسری
برای هر دو بال تحتانی و فوقانی به ترتیب از ورق‌های زیرسری و روسری استفاده شده است. ورق زیرسری در کارگاه برروی زمین به ستون جوش شده و ورق روسری پس از نصب تیر روی آن مونتاژ و جوش میشود.
اتصال فلنجی
نوعی از اتصال صلب با استفاده از ورق اتصال فلنجی در انتهای تیر نشان داده شده است. روش اتصال تیرها به هم با استفاده از پیچ‌های پرمقاومت و بصورت اصطکاکی است.
اتصالات صلب در قاب‌های صفحهای و فضایی
در اتصال صلب تیر به ستون، تیرها ممکن است از دو طرف به هر دو بال ستون بطور مستقیم متصل شده باشند و یا با استفاده از ورق‌های زیرسری و روسری به بال ستون متصل شوند. همچنین ممکن است همانند، تیرها از یک یا دو طرف به جان ستون به طور صلب متصل شده باشند. اگر در یک سیستم قاب صلب، تیرها فقط در یک راستا به دو بال و یا جان ستون متصل شده باشند سیستم را، قاب صلب صفحهای می نامند. سیستم قاب صلبی كه شامل اتصا‌لاتی باشد كه در آن تیرها در دو راستای متعامد به بال و جان ستون متصل شده باشند (البته ممکن است كه فقط بر یک طرف جان و بال متصل شده باشند) به نام قاب صلب فضایی خوانده میشود.
اتصال نیمه صلب تیر به ستون
اتصا‌لاتی را كه مقداری گیرداری در تکیه گاه به وجود می‌آورند و در نتیجه باید برش و لنگر را توأمان تحمل كنند، اتصاالت نیم گیردار می‌نامند. در این حالت، بین تیر و ستون دورانی صورت می‌گیرد كه مقدار آن كمتر از اتصال مفصلی است. در عین حال، مقداری لنگر گیرداری در تگیه گاه تولید می‌كند و گیرداری آن بسته به وضعیت اتصالات، بار و دهانه‌ی تیر ممکن است بین ۲۰ تا ۹۰ درصد باشد.
اتصال كنسول‌ها به ستون
در سیستم اسکلت فلزی، پیش آمدگی (كنسول)، به دو شیوه اجرا میشود. یکی پیش آمدگی ممتد كه تیرها از ستون عبور می‌كنند (به صورت تک یا دوبل) و كنسول لازم به دست می‌آید. دیگر اینکه كنسول به صورت غیرممتد باشد. اتصالات باید متناسب با طول كنسول، مقدار بار وارده و نحوه گیرداری آن به ستون طراحی شود. چون كنسول در محل تکیه گاه لنگر منفی دارد، باید اتصال آن به ستون همانند اتصال صلب تیر به ستون اجرا شود. كلیه‌ی ابعاد و اندازه‌ی اتصالات و تقویت كننده‌ها بر اساس محاسبات انتخاب می‌شوند.
در صورت استفاده از اتصال مفصلی و یا در مواقعی كه طول كنسول از حد معینی تجاوز كند و یا مقدار بار وارده به آن به اندازه‌ای باشد كه نبشی‌ها یا ورق اتصال جواب گو نباشند، می‌توان از دستک استفاده كرد. با توجه به نقشه‌ی معماری می توان این دستک را در پایین یا بالای تیر در نظر گرفت و اتصال صحیح و اصولی را اجرا كرد.
اتصال مهاربند به قاب فولادی
معمول‌ترین مهاربندها در اسکلت‌های فولادی مهاربندهای ضربدری است. اتصال مهاربندها در گوشه‌ها به قاب فولادی، با یک صفحه (ورق فولادی) انجام می‌گیرد. نحوه ساخت و نصب به این گونه است كه با پروفیل‌های مورد نظر، اعضای مورب به را بر روی سطح صاف نظیر كف كارگاه یا زمین معمولاً وسیله ورق فلزی مربع مستطیل كه در ناحیه وسط جوش میشود، تهیه می‌كنند. اعضای مورب به وسیله با‌لابر یا جرثقیل یا كشیدن توسط طناب، در محل اتصال قرار می‌گیرند و در محل خود، در روی ورق فلزی كه به ستون و تیر وصل است، جوش میشود.
برای جوش دادن ورق‌های مهاربند به بال تیر یا بال ستون، باید جهت جوشکاری از سمت گیرداری بیشتر به سمت آزادی بیشتر انجام شود. بهتر است ورق‌های مهاربندی در مرحلهی ساخت ستون‌ها روی ستون و در محل مناسب مطابق نقشه، نصب شوند و در روی زمین در وضعیت افقی جوشکاری شود. خروج از مرکزیت و ناگونیا بودن ورق‌های مهاربندی در زمان نصب باعث بوجود آمدن مشکلات فراوانی میشود. در مهاربندهای جفت، باید در فواصل حدوداً یک متری از یک سری تسمه‌های فولادی به ضخامت ورق‌های مهاربندی جهت ثابت نگه داشتن آنها استفاده شود. در جوش اتصال عضو مهاربندی به ورق مهاربندی باید حدود ۲ سانتی متر از انتهای دو جوش سمت لبه‌ی بیرونی ورق مهاربندی جوشكاری نشود.
اتصال پای ستون
در طراحی اتصال پای ستون دو شرط اصلی زیر باید تأمین شود.
- نیروی فشاری موجود در مقطع ستون باید توسط ورق كف ستون در شالوده گسترش یابد كه تنش فشاری در بتن شالوده كمتر از مقادیر مجاز توصیه شده توسط آیین نامه‌ها شود.
- ورق كف ستون و ستون كاملاً به بتن شالوده مهار شود.
انواع اتصال ستون به شالوده
جزئیات اتصال ستون فلزی به شالوده بتنی، به نیروی موجود در پای ستون بستگی دارد. در ستون با انتهای مفصلی فقط نیروی فشاری و برشی از ستون به شالوده منتقل می‌شوند. اگر لنگر خمشی را به شالوده منتقل نمایید، در آن صورت، نیاز به طرح اتصال مناسب برای این كار خواهید داشت كه اتصال گیردار خوانده میشود.
اتصال ستون به ورق پای ستون
در اتصال مفصلی پای ستون، فقط نیروی محوری و نیروی برشی از ستون به ورق پای ستون منتقل میشود. در اتصال گیردار پای ستون علاوه بر نیروهای محوری و برشی، لنگر خمشی نیز به ورق پای ستون انتقال می‌یابد.
جدا شدگی دو بال نبشی نشیمن تیر به ستون، نشان دهنده‌ی ضعف مقاومت كششی نبشی در مقابل نیروی ناشی از زلزله بوده است. زیرا اندازه‌ی نبشی و مقدار جوش آن به اندازه كافی نبوده است.
انتهای ستون كه با ورق كف ستون در تماس است، باید به صورت گونیا بریده شده و سنگ زده شود تا در تماس كامل با ورق كف ستون قرار بگیرد. در چنین حالتی، اكثر نیروی محوری توسط فشار تماسی منتقل میشود و نبشی‌ها و یا جوش فقط عمل نگهداری و انتقال نیروی برشی را برعهده می‌گیرند. در صورتی كه انتهای ستون سنگ زده نشود، جوش و نبشی‌های اتصال باید بتوانند صد در صد نیروی محوری را انتقال دهند.
استفاده از ورق‌های سخت كننده در اتصال گیردار پای ستون
- گاهی مواقع به منظور كم كردن ضخامت ورق كف ستون، از ورق‌های سخت كننده‌ی مثلثی یا ذوزنقه‌ای در اتصال گیردار پای ستون استفاده میشود.
- اجرای نا‌صحیح جوش در درون گوشه‌ی مهاربند منجر به جدا شدن مهاربند از ستون در اثر نیروی ناشی از زلزله شده است.
- اتصال نا‌مناسب ورق اتصال مهاربند به ستون، نا‌كافی بودن طول جوش و ابعاد ورق اتصال، منجر به گسیختگی مهاربند از محل اتصال شده است.
اتصالات بادبندها به تیر و ستون‌ها
معمولاً بادبندها توسط یک صفحه فلزی که از قبل در محل تقاطع تیر به ستون جوش داده شده به ستون‌ها و تیرها متصل می‌شوند. این صفحات که تحت فشار و کشش هستند باید برای هر دو عامل طرح شوند. بادبند‌هایی که روی این صفحات قرار می‌گیرند باید به طور کامل جوش داده شوند.
بعضی وقت‌ها در وسط نیز صفحه می‌گذارند. چون بادبندها نمی‌توانند از روی هم عبور کنند در وسط قطع می‌شوند وبه صفحه وسط کاملاً جوشش داده می‌شوند و ادامه می‌‌یابند. بادبند‌های این ساختمان ناودانی تک و دبل بوده و به وسیله صفحات تقویت، به تیر و ستون‌ها متصل شده‌اند.
اتصال دو تیرآهن به هم
برای تولید ستون دوبل یا تیر دوبل لازم است که دو تیرآهن را به هم توسط بست یا پلیت متصل کرد و نیز برای طویل کردن ستون‌ها نیز باید بین تیرآهن‌ها اتصال وجود داشته باشد، چون طول شاخه‌های تیرآهن ۱۲ متر است.
انواع اتصالات پای ستون
اتصالات پای ستون نیز مانند سایر اتصالات هم صلب و هم مفصلی دارند. در اتصال صلب از سخت کننده استفاده میشود و در اتصال مفصلی از نبشی‌ها و لچکی‌ها استفاده میشود. اتصال صلب را در جهتی می‌گذارند که ممان دارند و اتصال مفصلی را نیز در جهتی می‌گذارند که ممان ندارند. جوش اتصال پای ستون نیز باید شرایط دو اتصال صلب و مفصلی را تامین کند.
