صفر تا صد اتصالات در سازه های فولادی

زمان مورد نیاز برای مطالعه : 13 دقیقه

صفر تا صد اتصالات در سازه های فولادی

اسکلت فلزی، مجموعه ای از اعضای فولادی اعم از تیر و ستون های فولادی است که با اتصالات و جزئیات سازه ای فراوان به یکدیگر متصل شده و واحد یکپارچه ای را تشکیل می دهند. هنگامی که هدف ما یکپارچگی اعضا در سازه های فولادی باشد، نقش اساسی اتصالات و جزئیات بیشتر نمایان می شود.

در اسکلت های فولادی حتی اگر تیرها و ستونها محافظه کارانه طراحی شده باشند، در صورت عدم طراحی و اجرای مناسب اتصالات و جزئیات آن، ساختمان در برابر نیروهای مختلف از قبیل نیروهای قائم و جانبی ایمنی لازم را نخواهد داشت.

تعریف اتصالات سازه های فولادی

جهت وصل کردن یک یا چند قطعه در ساختمان های فولادی، نیاز به یک قطعه رابطی می باشد که دو قطعه بتوانند توسط جوش به همدیگر متصل شوند که این قطعه رابط، همان انواع اتصالات موجود است.
در واقع اتصالات در ساختمان های فولادی، اعضا و قسمت های مختلف سازه (اعم از تیرآهن و ستون) را به هم متصل کرده و نیروها را بین این اعضا تقسیم می کند. یک اتصال هم مشابه با سایر قسمت های ساختمان در هنگام انتقال نیرو از خود تغییر شکل نشان می دهد.
قبل از اینکه به بررسی انواع اتصالات در سازه های فولادی بپردازیم، لازم است که به تشریح انواع اتصالات موجود در سازه ها بپردازیم.

انواع اتصالات موجود در سازه ها

اتصالات گیردار

اتصال گیر دار
اتصال گیر دار

در حالت کلی اتصال گیردار به اتصالی گفته می شود که کاملا به صورت صلب بوده و اجازه حرکت در هیچ یک از جهات X, Y, Z برای تیر متصل به ستون وجود ندارد و تنها ممان یا لنگر در آن ایجاد می شود.
این نوع اتصال باید دارای گیرداری کامل باشد که معمولاً به وسیله ورق زیرسری به عنوان نشیمن و ورق روسری و یا در صورت لزوم ورق یا نبشی جان ایجاد می گردد. این اتصالات را می توان به صورت فلنچی و یا توسط ورق اسپلایس به صورت پیچ و مهره و یا مستقیماً توسط جوش نیز اجرا کرد.

اتصالات مفصلی

اتصال مفصلی
اتصال مفصلی

اتصال مفصلی در دو جهت X, Y  مانع حرکت عضو شده و ممان یا لنگر را نیز منتقل نمی نمایند. به همین علت در این نوع اتصالات ورق های گیردار وجود ندارد و تنها بالا و پایین اتصال به وسیله جوش به ستون ها متصل می گردد.
اتصالات مفصلی در حقیقت دارای یک نشیمن (ورق نشیمن با لچکی یا بدون لچکی و یا نبشی نشیمن) و در صورت نیاز دارای ورق یا نبشی جان می باشند.
برای ایجاد اتصال مفصلی در اتصالات پیچ و مهره، می توان تنها با یک ورق جان این اتصال را ایجاد نمود.

اتصال بادبند‌ها

اتصال بادبند ها
اتصال بادبند ها

بادبندها عضوی از سازه اسکلت فولادی می باشند که وظیفه ی آن ها، تحمل و انتقال نیروهای جانبی است. این اعضا تا زمانی که بارهای جانبی مانند نیروی زلزله و باد به سازه وارد نشود، عملکرد خود را نشان نخواهند داد.
توجه به ابعاد جوش، ضخامت ورق های اتصالی بادبندها، اندازه پروفیل های انتخاب شده در بادبندها و هم محور شدن در یک نقطه بعد از اتصال، نکاتی است که رعایت آن ها در اتصالات بادبندها اهمیت بسیار بالایی دارد.

انواع اتصالات در سازه های فولادی 

اتصالات را می توان به شیوه های مختلفی دسته بندی کرد. از نظر مصالح تشکیل دهنده و اعضا متصل شونده می توان اتصالات در سازه های ساختمانی معمولی را به دسته های فولادی، بتنی و مختلط دسته بندی کرد. همچنین می توان اتصالات را از لحاظ درجه گیرداری به اتصالات گیردار، نیمه گیردار و ساده تقسیم کرد که البته حالت گیردار و ساده به صورت ایده آل در نظر گرفته می شود و در واقعیت تقریبا تمام اتصالات در دسته اتصالات نیمه گیردار هستند.

انواع اتصالات در ساختمانهای فولادی 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 تیربه ستون

اتصال تیر به ستون معمولاً به دو صورت اجرا می شود:
1)    اتصال صلب و گیردار 
2)    اتصال مفصلی 
هر کدام از حالتهای مذکور نیز چند قسمت دارند که در ادامه به تشریح هریک می پردازیم.

انواع اتصالات صلب در اتصالات تیر به ستون:

•     اتصال صلب با جفت صفحه موازی 
•     اتصال صلب با جفت سپری 
•     اتصال صلب با صفحه انتهایی روی 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. 
هدف طراح 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 در سازه به وجود نیاید. 
تهیه‌ی لیست کاملی از اتصا‌لات صلب تیر به ستون به علت تنوع بالایی که این اتصالات دارند مشکل می باشد، لذا اتصالات رایج ذکر شده‌، امروزه به نحو گسترده‌تری مورد استفاده قرار می‌گیرند. 
قسمتی از جوش اغلب این اتصا‌لات در کارخانه‌ یا بر روی زمین انجام می‌شود و مابقی آن پس از نصب توسط جوش در محل و یا پیچ‌‌های پرمقاومت تکمیل می‌شود.
اتصالات مفصلی هم معمولاً در همه ساختمانها در یک طرف سازه بکار می روند که این اتصال بسیار ساده است و فقط جهت اتصال دو قطعه بکار می رود و لنگری تحمل نمی کند. در این اتصال تغییر شکل وجود دارد در حالی که در اتصال مفصلی هیچ گونه تغییر شکلی نداریم. 
نحوه جوش دادن اتصالات مفصلی به این صورت است که (در مورد نبشی ها ) فقط بر بالایی و پائینی جوش می شود و بقیه قسمت ها نباید جوش شود.

انواع اتصالات مفصلی در اتصالات تیر به ستون:

•     اتصال ساده نشسته ( نبشی نشیمن )
•     اتصال به وسیله صفحه نشیمن و لچکی
•     اتصال به وسیله صفحه نشیمن و صفحه برشگیر ( تیغه )
آنچه که امروزه در بیشتر سازه ها اجراء می شود، اتصال ساده نشسته و اتصال با صفحه نشیمن و لچکی است. اتصالات ساختمان به این صورت است که در جهت صلب، اتصال با جفت صفحه موازی است و در جهت مفصلی، اتصال به وسیله نبشی نشیمن و لچکی انجام می شود. 
خصوصیت اصلی اتصال مفصلی این است که زاویه بین تیر و ستون بتواند تغییر کند ولی در اتصال صلب زاویه بین تیر وستون نباید تغییر کند. 
در اتصال ساده نشسته، نبشی هایی که در بالا می گذارند، فقط برای ایجاد تعادل است و باری تحمل نمی کند. حداقل سایز این نبشی ها نیز 6 می باشد.

انواع اتصالات پای ستون 

اتصال پای ستون
اتصال پای ستون

اتصالات پای ستون نیز مانند سایر اتصالات هم صلب و هم مفصلی دارند که در اتصال صلب از سخت کننده و در اتصال مفصلی از نبشی ها و لچکی ها استفاده می شود.
اتصال صلب را در جهت ممان و اتصال مفصلی را در جهتی می گذاریم که ممان نداریم. جوش اتصال پای ستون نیز باید شرایط دو اتصال صلب و مفصلی را تامین کند .
کیفیت، نوع، بعد و اندازه ی طول جوش در اتصال ستون به صفحه ستون اهمیت فراوانی دارد که باید مورد توجه قرار گیرد.
شرط لازم برای اتصال صلب پای ستون این است که سختی خمشی فونداسیون، 10 برابر بیشتر از سختی خمشی ستون باشد. هم چنین، شرط کافی این است که بیشترین بازوی لنگر ممکن را در اختیار قرار دهد.

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 برای طویل کردن ستون ها نیز باید بین تیرآهن ها اتصال وجود داشته باشد (چون طول شاخه های تیرآهن 12 متر است).

اتصالات بادبند ها به تیر و ستونها 

معمولا بادبندها توسط یک صفحه فلزی که از قبل در محل تقاطع تیر به ستون جوش داده شده است به ستونها و تیرها متصل می شوند. این صفحات که تحت فشار و کشش هستند، باید برای هر دو عامل طرح شوند و بادبند هایی هم که روی این صفحات قرار می گیرند، باید به طور کامل جوش داده شوند. 
برای اتصال بادبندها به تیرها و ستون ها نیز، گاهی اوقات در وسط بادبند صفحه می گذارند، چون بادبندها نمی توانند از روی هم عبور کنند، از این رو در وسط قطع می شوند و به صفحه وسط کاملاً جوش داده می شوند و ادامه می یابند. 
همانطور که قبلا ذکر شد، بادبند های ساختمان، ناودانی تک و دوبل می باشد که بوسیله صفحات تقویت به تیر و ستونها متصل شده اند .

‌اتصال با ورق زیرسری و روسری

برای اتصال بال های تحتانی و فوقانی به ترتیب از ورق‌های زیرسری و روسری استفاده می شود. ورق زیرسری در کارگاه برروی زمین به ستون جوش شده و ورق روسری نیز پس از نصب تیر روی آن مونتاژ و جوش می‌شود.

اتصال فلنجی

اتصال فلنجی، روش اتصال تیرها به هم با استفاده از پیچ‌‌های پرمقاومت و به صورت اصطکاکی می باشد که نوعی از این اتصال با استفاده از ورق اتصال فلنجی در انتهای تیر در شکل زیر نشان داده شده است.

اتصال فلنجی
اتصال فلنجی

روش های اجرای سازه های فلزی با توجه به نوع اتصالات

ساخت اسکلت های فلزی به طور کلی به دو صورت کارخانه ای (نیمه پیش ساخته) و یا کارگاهی صورت می پذیرد که ساخت اسکلت های فلزی کارگاهی با توجه به آیین نامه جدید طرح و اجرای ساختمان های فولادی (مبحث دهم مقررات ملی ساختمان) به دلیل کیفیت پایین ساخت و مشکلات جوشکاری و برشکاری در محل کارگاه نصب مجاز نیست.
اسکلت های فولادی ساخته شده در کارخانه دارای مزایای زیادی نسبت به اسکلت های کارگاهی می باشد. از جمله این مزایا می توان به موارد زیر اشاره کرد:
•    کیفیت ساخت بالا به دلیل استفاده از دستگاه های صنعتی جوشکاری و برشکاری مدرن و استاندارد
•    سرعت بالای ساخت و نصب
•    هزینه تمام شده کمتر باتوجه به مدت زمان کمتر ساخت و مدیریت بهتر مصالح مصرفی
•    عدم ایجاد مزاحمت صوتی و مشکلات عبور و مرور برای همسایگان و معابر مجاور حین نصب اسکلت سازه
•    انجام آزمایشات کنترلی و نظارتی در هنگام ساخت
•    همزمانی ساخت اسکلت با عملیات های پیش نیاز در کارگاه و عدم اشغال کارگاه توسط آهن آلات
•    دقت بیشتر در ساخت اسکلت و مدل سازی آن قبل از ساخت با به کارگیری نرم افزارهای مختص به این کار 
•    اتصالات بهتر و مقاوم تر اعضا به یکدیگر به دلیل دقت بالا حین ساخت

مشکلات اتصالات در سازه های فولادی

به دليل عدم شناخت كافي از رفتار اتصالات، بسياري از آسيب هاي ايجاد شده در سازه ها از ضعف در طراحي يا اجراي اتصالات ناشي مي شود. از این رو بررسي آسيب هاي وارد شده بر اتصالات در اثر زلزله هاي گذشته و ارائه راهکارهای مقاوم سازی مناسب امري ضروري مي باشد.
آسيب هاي اتصالات فولادی در اثر زلزله هاي گذشته را مي توان به آسيب هاي تير، ستون، جوش، اجزا و چشمه اتصال طبقه بندي نمود.
به منظور مقاوم سازی ساختمان، ابتدا باید انواع خرابی‌ها و صدمات وارده بر ناحیه اتصال در حین زلزله را شناسایی کرده سپس آن ها را دسته بندی نمائیم. اغلب این خرابی ها به صورت زیر طبقه‌بندی می‌شوند:
•    خرابی در تیرها 
•    خرابی در بال ستونها 
•    خرابی در جوش 
•    خرابی در ورق برشی جان 
•    خرابی در چشمه اتصال

دلایل نارسایی های اتصالات فولادی
با توجه به آسیب‌های به وجود آمده در اتصالات فولادی در اثر زلزله‌های قبلی می‌توان نارسایی‌های اتصال را به شرح زیر طبقه‌بندی نمود:
الف) انتخاب جزئیات نامناسب (ساختار غلط اتصال)
ب) عدم تناسب در ورق‌های اتصال
پ) عدم توجه به لبه‌های آزاد و لاغری ورق‌های اتصال
ت) فاصله‌بندی غلط وسایل اتصال
ث) عدم توجه به دسترسی به نقاط کور اتصال
ج) عدم دقت در اجرای جوش‌ها با طول و بعد صحیح

راهکارهای تقویت اتصالات فلزی جوشی

۱. استفاده از ورق روسری و زیر سری مضاعف

در صورتی که از جوش ورق‌های زیرسری و روسری به ستون اطمینان نداشته و یا در حین زلزله بـه آنها صدمه وارد آمده باشد، استفاده از ورق های زیرسری و روسری مضاعف می‌تواند در برنامه کارقرار گیرد.
در صورتی که هیچ اطمینانی از جوش ورق روسری موجود به ستون نباشد و یا این جوش از بین رفته باشد، ضخامت ورق روسری و زیرسری باید برای لنگر پلاستیک تیر طراحی شود. اما اگر اضافه کردن ورق زیرسری و روسری به منظور تقویت اتصالات فلزی وضعیت موجود باشد، ضخامت آن بر حسب قضاوت تعیین می‌گردد.

ورق روسری
ورق روسری

۲. استفاده از ماهیچه برای تقویت اتصال

اضافه کردن ماهیچه، باعث انتقال مفصل پلاستیک از بر ستون به داخل تیر می‌گردد. این کار در صورت امکان بهتر است تنها در بال پایینی صورت گیرد، چرا که تجربیات حاصل از زلزله، نشان می دهد که شروع خرابی از بال تحتانی تیر است. این در حالی است که اضافه نمودن ماهیچه در بال بالایی، مستلزم خراب نمودن کل دال می‌باشد.
در صورتی که ساختمان دارای سقف کاذب باشد، اضافه کردن ماهیچه در پایین عملی می‌باشد و نیاز به ترمیم جوش ورق زیرسری به ستون وجود ندارد. در صورتی که از جوش ورق روسری به ستون نیز اطمینان نداشته باشیم و نخواهیم آن را محک زده و ترمیم نماییم، می‌توانیم ماهیچه را در بالا نیز اجرا نماییم. در این حالت احتمال تداخل ماهیچه با کف‌سازی نیز وجود دارد.

استفاده از ماهیچه برای تقویت اتصال
استفاده از ماهیچه برای تقویت اتصال

۳. لچکی‌های قائم در بال فوقانی و تحتانی

تعداد لچکی ها برای تقویت اتصالات فلزی، می‌تواند یک یا دو عدد باشد که در شکل زیر نحوه تقویت اتصالات فلزی صلب با لچکی های قائم نشان داده شده است.

لچکی‌های قائم در بال فوقانی و تحتانی
لچکی‌های قائم در بال فوقانی و تحتانی

۴. استفاده از ورق کناری (ورق گونه)

در این روش نیروهای کششی و فشاری بال های بالایی و پایینی تیر به کمک ورق‌های کناری به ستون انتقال داده می‌شود. نمونه‌هایی از جزئیات بهسازی اتصالات فولادی با ورق کناری در شکل زیر نشان داده شده است.

استفاده از ورق کناری
استفاده از ورق کناری

۵. استفاده از مقطع T شکل

با استفاده از مقاطعT شکل، می‌توان اتصالات در سازه های فولادی را مقاوم سازی نمود. در بعضی از موارد مقطع را تنها در بال پایینی اتصال اجرا می‌نمایند که با استفاده از این روش می‌توان بدون تخریب دال اتصال را مقاوم سازی نمود. ورق‌های پیوستگی را نیز باید در امتداد مقاطعT شکل اجرا نمود.

استفاده از مقطع T شکل
استفاده از مقطع T شکل

۶. مقاوم سازی اتصالات فولادی به کمک کابل های کششی

استفاده از روش مقاوم سازی با استفاده از پیش تنیدگی خارجی و به کمک کابل های کششی، یکی از جدیدترین شیوه های بهسازی در اتصالات فولادی است که در سالهای اخیر به گسترش یافته است. 
در این اتصالات کابل های با مقاومت بالا معمولاً در قسمت میانی تیر تعبیه می‌شوند که این روش را با چهارکابل نیز می‌توان اجرا نمود. مزیت استفاده از چهار کابل این است که اگر یک کابل از بین رفت، کابل های دیگر باقی مانده و عملکرد اتصال مختل نمی‌گردد. 
مقاومت برشی اتصال توسط دو نبشی که در قسمت بالایی و پایینی قرار داده می شود و نیروی اصطکاکی بین تیر و ستون که به علت پیش‌تنیدگی کابل افزایش یافته، تامین می‌گردد.
جدایی تیر از ستون موجب جذب انرژی می‌گردد، زیرا با جداشدگی تیر از ستون، کابلها به کشش افتاده و عملکرد غیرخطی کابل ها، انرژی ایجاد شده را جذب می کند. استفاده از این روش موجب افزایش مقاومت، سختی و شکل‌پذیری اتصال می‌گردد.
استفاده از این روش معایبی نیز دارد که عبارت اند از؛ تسلیم شدن کابل ها، کمانش موضعی تیر و … 

مزایای استفاده از این روش نیز شامل موارد زیر است:
1)    یکسان سازی عملکرد غیرخطی اجزای سازه ای و در نتیجه محدود نمودن نیروهای لرزه ای به وجود آمده
2)    فراهم نمودن میرایی اضافی برای سازه

3)    برگشت سیستم به حالت اولیه بعد از ایجاد تغییرشکل های به وجود آمده در اثر نیروی زلزله

4)    کاهش و یا حذف خسارت های شدید به المانها و قسمت های اصلی سازه

جمع بندی

یکی از مهم ترین اصول در طراحی سازه ها، به خصوص سازه های فولادی، طراحی و اجرای مناسب و مقاوم اتصالات اعضا به یکدیگر می باشد، چرا که اتصالات همراه با اعضای سازه ای به صورت یکپارچه عمل می کند و نیروهای اعمال شده به المان های اصلی سازه، به اتصالات نیز وارد می گردد. لذا طراحی اتصالات متناسب با اعضا، می تواند تاثیر به سزایی در مقاومت سازه داشته باشد.
اتصالات در سازه های فولادی بسیار متنوع می باشد، به طور مثال اتصالات تیر به ستون ، اتصالات پای ستون و یا اتصال دو تیرآهن به هم که هر کدام انواع زیادی از اتصالات را شامل می شود. لذا انتخاب درست نوع اتصال، بسیار حائز اهمیت می باشد.
باید به خاطر داشته باشیم که طراحی نادرست اتصالات در سازه های فولادی و یا طراحی ضعیف آن ها، موجب خرابی زود هنگام اتصال و درنتیجه فروپاشی سازه در زمان اعمال نیروهای قوی مانند نیروی زلزله خواهد شد.