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 سازه‌ای فراوان به یکدیگر متصل شده و واحد یکپارچه‌ای را تشکیل می‌دهند. هنگامی که هدف ما یکپارچگی اعضا در سازه های فولادی باشد، نقش اساسی اتصالات و جزئیات بیشتر نمایان می‌شود.

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 سازه‌های فولادی

جهت وصل کردن یک یا چند قطعه در ساختمان های فولادی، نیاز به یک قطعه رابط می‌باشد که دو قطعه بتوانند توسط جوش به همدیگر متصل شوند.

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 می‌کند. یک اتصال هم مشابه با سایر قسمت های ساختمان در هنگام انتقال نیرو از خود تغییر شکل نشان می‌دهد.
قبل از اینکه به بررسی انواع اتصالات در سازه‌های فولادی بپردازیم، لازم است که به تشریح انواع اتصالات موجود در سازه‌ها بپردازیم.

لیست قیمت تیرآهن تمامی کارخانجات در بازار امروز

مشاهده قیمت

انواع اتصالات موجود در سازه‌ها

اتصالات گیردار

در حالت کلی اتصال گیردار به اتصالی گفته می‌شود که کاملا به صورت صلب بوده و امکان حرکت در هیچ یک از جهات X, Y, Z برای تیر متصل به ستون وجود ندارد و تنها ممان یا لنگر در آن ایجاد می‌شود.
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 می‌گردد. این اتصالات را می‌توان 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 در دو جهت X, Y  مانع حرکت عضو شده و ممان یا لنگر را نیز منتقل نمی‌نمایند. به همین علت در این نوع اتصالات ورق‌های گیردار وجود ندارد و تنها بالا و پایین اتصال به وسیله جوش به ستون‌ها متصل می‌گردد.
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 می‌باشند.
برای ایجاد اتصال مفصلی در اتصالات پیچ و مهره، می‌توان تنها با یک ورق جان این اتصال را ایجاد نمود.

اتصال مفصلی پای ستون

اتصال مفصلی پای ستون یک نوع اتصال است که در سازه‌های فولادی یا بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این نوع اتصال، پایه ستون با بخشی از سازه به صورت یک مفصل اتصال می‌یابد. این مفصل معمولا به کمک پیچ و مهره‌ها یا جوش ایجاد می‌شود.

اتصال مفصلی پای ستون برای اجزاء اصلی سازه مانند ستون‌ها، تیرها و ستون‌های مهاربندی استفاده می‌شود. این نوع اتصال می‌تواند به پایداری و استحکام سازه بسیار کمک کند.

اتصال مفصلی پای ستون به دو نوع اصلی تقسیم می‌شود:

1. اتصال مفصلی گیرنده (Rigid Connection): در این نوع اتصال، ستون به صورت مفصلی به سازه وصل می‌شود. این به این معناست که ستون قادر به انتقال لحظات و عزم‌های فشاری و کششی به سازه است. این نوع اتصال معمولا با جوش و پیچ مهره‌ها ایجاد می‌شود.
2. اتصال نیمه مفصلی (Semi-Rigid Connection): در این نوع اتصال، ستون به صورت نیمه مفصلی به سازه وصل می‌شود. این به این معناست که ستون توانایی محدودی در انتقال لحظات و عزم‌های فشاری و کششی دارد. این نوع اتصال معمولا با پیچ و مهره‌ها ایجاد می‌شود.

استفاده از هر نوع اتصال مفصلی باید با توجه به نیازها و شرایط خاص هر پروژه انتخاب شود و به تامین استحکام و پایداری سازه کمک کند.

اتصال بادبند‌ها

بادبندها عضوی از سازه اسکلت فولادی می باشند که وظیفه‌ی آن‌ها، 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 ورق‌های اتصالی بادبندها، اندازه پروفیل‌های انتخاب شده در بادبندها و هم محور شدن در یک نقطه بعد از اتصال، نکاتی است که رعایت آن‌ها در اتصالات بادبندها اهمیت بسیار بالایی دارد.

انواع اتصالات در سازه‌های فولادی

اتصالات را می‌توان به شیوه‌های مختلفی دسته بندی کرد. از نظر مصالح تشکیل دهنده و اعضا متصل شونده می‌توان اتصالات در سازه‌های ساختمانی معمولی را به دسته‌های فولادی، بتنی و مختلط دسته بندی کرد. همچنین می‌توان 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 می‌شود 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 می‌باشد، 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 می‌روند که این اتصال بسیار ساده است و فقط جهت اتصال دو قطعه بکار می‌رود و لنگری تحمل نمی‌کند. در این اتصال تغییر شکل وجود دارد در حالی که در اتصال مفصلی هیچ گونه تغییر شکلی نداریم. 
نحوه جوش دادن اتصالات مفصلی (در مورد نبشی‌ها) به این صورت است که فقط بر بالایی و پائینی جوش می‌شود و بقیه قسمت‌ها 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 می‌شود، 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 می‌شود. 
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، نبشی‌هایی که در بالا می‌گذارند، فقط برای ایجاد تعادل است و باری تحمل نمی‌کند. حداقل سایز این نبشی ها نیز 6 می باشد.

انواع اتصالات 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 نبشی‌ها و لچکی‌ها استفاده می‌شود.
اتصال صلب را در جهت ممان و اتصال مفصلی را در جهتی می‌گذاریم 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 ستون‌ها نیز باید بین تیرآهن‌ها اتصال وجود داشته باشد (چون طول شاخه‌های تیرآهن 12 متر است).

اتصالات بادبند‌ها 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 بادبند‌هایی هم که روی این صفحات قرار می‌گیرند، باید به طور کامل جوش داده شوند. 
برای اتصال بادبندها به تیرها و ستون‌ها نیز، گاهی اوقات در وسط بادبند صفحه می‌گذارند. بادبندها نمی‌توانند از روی هم عبور کنند، از این رو در وسط قطع می‌شوند و به صفحه وسط کاملاً جوش داده می‌شوند و ادامه می‌یابند. 
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 بال‌های تحتانی و فوقانی به ترتیب از ورق‌های زیرسری و روسری استفاده می‌شود. 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 می‌باشد که نوعی از این اتصال با استفاده از ورق اتصال فلنجی در انتهای تیر در شکل زیر نشان داده شده است.

روش‌های اجرای سازه‌های فلزی با توجه به نوع اتصالات

ساخت اسکلت‌های فلزی به طور کلی به دو صورت کارخانه‌ای (نیمه پیش ساخته) و یا کارگاهی صورت می‌پذیرد. ساخت اسکلت‌های 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 اسکلت‌های کارگاهی می‌باشد. از جمله این مزایا می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
•    کیفیت ساخت بالا به دلیل استفاده از دستگاه‌های 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 سازه‌های فولادی

به دليل عدم شناخت كافي از رفتار اتصالات، بسياري از آسيب‌هاي ايجاد شده در سازه‌ها از ضعف در طراحي يا اجراي اتصالات ناشی می‌شود. از این رو بررسي آسيب هاي وارد شده بر اتصالات در اثر زلزله های گذشته و ارائه راهکارهای مقاوم سازی مناسب امري ضروری می‌باشد.
آسيب‌های اتصالات فولادی در اثر زلزله‌های گذشته را می‌توان به آسيب‌های تير، ستون، جوش، اجزا و چشمه اتصال طبقه بندی نمود.
به منظور مقاوم سازی ساختمان، ابتدا باید انواع خرابی‌ها و صدمات وارده بر ناحیه اتصال در حین زلزله را شناسایی کرده سپس آن‌ها را دسته بندی نمائیم. اغلب این خرابی‌ها 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 نارسایی‌های 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

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.

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.

لچکی‌های قائم در بال فوقانی و تحتانی

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

استفاده از ورق کناری (ورق گونه)

در این روش نیروهای کششی و فشاری بال‌های 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 مقطع T شکل

با استفاده از مقاطع T شکل، می‌توان اتصالات در سازه‌های 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 مقاطع T شکل اجرا نمود.

مقاوم سازی اتصالات فولادی به کمک کابل‌های کششی

استفاده از روش مقاوم سازی با استفاده از پیش تنیدگی خارجی و به کمک کابل‌های کششی، یکی از جدیدترین شیوه‌های بهسازی در اتصالات فولادی است که در سالهای اخیر به گسترش یافته است. 
در این اتصالات کابل‌های 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 می‌باشد، چرا که اتصالات همراه با اعضای سازه‌ای به صورت یکپارچه عمل می‌کند و نیروهای اعمال شده به المان‌های اصلی سازه، به اتصالات نیز وارد می‌گردد. لذا طراحی اتصالات متناسب با اعضا، می‌تواند تاثیر به سزایی در مقاومت سازه داشته باشد.
اتصالات در سازه های فولادی بسیار متنوع می‌باشد، 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 می‌شود. لذا انتخاب درست نوع اتصال، بسیار حائز اهمیت می‌باشد.
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.