اتصال تیر به ستون

 

اتصالات در هر سازه از مهم ترین بخش های سازه بحساب میان که در صورت رعایت شدن نکات طراحی در اون ها، نقطه قوت سازه و در صورت عدم دقت در طراح اون ها از نقاط ضعف سازه بحساب میان. این اهمیت در اتصالات قاب خمشی (مخصوصا قاب خمشی فولادی🏗) بیشتره، چراکه بخشی از بار جانبی بوسیله اتصال تحمل میشه. بنابراین به کارگیری اتصالی که هم به لحاظ صرفه اقتصادی (زمان و هزینه اجرا) و هم به لحاظ عملکرد در برابر بارهای زلزله مناسب باشه، ضروریه.

 

1- انواع اتصال تیر به ستون

بدون در نظر گرفتن چگونگی رفتار قطعات نسبت به هم، تعیین مشخصات مقاطع ستون ها و شاه تیرها امکان پذیر نیست. اتصالات در ساختمان های فولادی (که برای به هم پیوستن اعضای سازه به کار میره) عموما براساس سختی یا صلبیت دسته بندی میشن. که منظور از سختی، میزان مقاومت اتصال در برابر تغییر زاویه بین دو عضو اتصاله (تیر و ستون). براین اساس اتصالات به سه دسته ی کلی تقسیم میشن:

الف) اتصال ساده (مفصلی): هیچ گونه قیدی برای دوران تیر نسبت به ستون وجود نداره

ب) اتصال صلب: زاویه ( 90 درجه📐) بین تیر و ستون در اتصال صلب بعد از بارگذاری برابر با زاویه قبل از بارگذاریه

پ) اتصال نیمه صلب: دورانی ما بین اتصلات مفصلی و اتصالات صلب دارن

 

 

1-1- اتصال ساده تیر به ستون

در این نوع اتصال تیر میتونه آزاد باشه و به راحتی دوران زاویه ای داشته باشه. بنابراین در این تکیه گاه لنگر گیرداری وجود نداره. یعنی تکیه گاه لنگري رو منتقل نميکنه، برا همینم به اتصالات برشی معروفن.

 

 

متداول ترین اتصالات برشی عبارتند از:

 

اتصال با جفت نبشي جان:

اتصال ساده ی برشی به كمک نبشی جان، برای اتصال تیرچه به شاهتیر یا تیر به ستون به كار میره. در این نوع اتصال، باید تاجایی که امکان داره نبشی انعطاف پذیر باشه. در این اتصال ساده ی تیر به تیر، دو عدد نبشی را در یک سر تیر به جان آن جوش میشه و در سمت دیگر با خال جوش به ستون یا شاه تیر متصل میشه. جوش بین نبشی و ستون یا شاهتیر رو بعد از این که اتصال تنظیم شد، بر روی کار انجام میدن.

برای اتصال تیرچه به شاه تیرهایی که بال های فوقانی آن ها (تیرچه و شاه تیر) در یک تراز قرار دارن، باید قسمتی از بال تیرچه رو زبانه کرد (قستی از بال تیرچه رو میبرن🔪).

 

 

اتصال با نبشي نشیمن:

مانند اتصال ساده با نبشی جان، از اتصال با نبشی نشیمن تنها برای انتقال واکنش تکیه گاهی قائم استفاده میشه. بنابراین اتصال نباید در انتهای تیر، گیرداری قابل توجهی ایجاد کنه. به این دلیل است که نبشی نشیمن و نبشی بالایی باید نسبتا قابل انعطاف باشن. در این نوع اتصال، تیر بر روی یک نشیمن که هیچ گونه تقویتی در آن صورت نگرفته، قرار میگیره.

نبشی نشیمن عمل نصب و تنظیم تیر رو آسون میکنه. این نوع نبشی معمولا ابتدا در کارخانه یا در کارگاه در ارتفاع لازم به ستون جوش داده میشه و بعد از نصب ستون، تیر رو روی اون سوار میکنن و به اون جوش میدن. در این اتصال، نبشی کمکی دیگری در بالای تیر نصب و جوش میشه که در باربری قائم مشارکت نداره و تنها برای ثابت نگه داشتن تیر در محل خود و جلوگیری از غلتیدن اون بکار میره (برا همینه که نبشی فوقانی ابعاد کوچکتری داره🔎).

 

 

اتصال با نشیمن تقویت شده:

وقتی که عکس العمل قائم در محل تکیه گاه زیادتر از حد تحمل نشیمن ساده باشه، باید از نشیمن تقویت شده استفاده کنیم. ضخامت صفحه ی نشیمن گاه در حدود ضخامت بال تیر انتخاب میشه و از صفحات تقویت کننده (محکم کننده) زیر نشیمن به صورت مستطیلی یا مثلثی (که بهش لچکی میگن) استفاده میشه (ورق سخت کننده مثلثی نسبت به ورق سخت کننده مستطیلی، اتصال سخت تری ایجاد میکنه💪).

با این که این اتصال برای نیمرخ های تک هم قابل استفاده است، ولی نیمرخ های زوج به دلیل عکس العمل های تکیه گاهی بزرگتر، نیاز بیشتری به تکیه گاه های تقویت شده دارن.

 

 

اتصال خورجینی

در گذشته اتصال خورجینی متداول ترین شکل اتصال در ساختمان های اسکلت فلزی در ایران بود. نحوه ی اجرای اتصال خورجینی بدین طریق است که تیرهای باربر از طرفین ستون ها به طور یکسره عبور داده میشن و روی نبشی هایی که در طرفین ستون نصب شده، قرار میگیرن. معمولا در بالای هر تیر یک نبشی قرار میدن (این نبشی مقداری گیرداری در اتصال بوجود میاره🔒).

قاب با اتصال خورجینی فقط برای تحمل بارهای قائم طراحی میشه. این اتصال در مقابل بارهای جانبی عملکرد خوبی نداره و تنها برای تحمل بارهای قائم مناسبه و بارهای جانبی رو باید سیستم های دیگری مثل مهاربندها تحمل کنن.

 

 

2-1- اتصال صلب تیر به ستون

در تکیه گاه کاملا گیردار، دوران زاویه ای (چرخشی) بین تیر و ستون وجود نداره. در این نوع اتصال برای جلوگیری از تغییر زاویه، درصد گیرداری در حدود 90 درصد یا بیشتر  لازمه. هدف طراح موقع استفاده از اتصال صلب تیر به ستون اینه که، اتصال قادر به انتقال کامل لنگر باشه و هیچ گونه چرخش نسبی بین تیر وستون بوجود نیاد.

تنوع اتصالات صلب تیر به ستون اونقدر زیاده که مشکل بتونیم لیست کاملی از اون ها ارایه بدیم. در اکثر این نوع اتصالات، قسمتی از جوش در کارخونه و یا در روی زمین انجام میشه و بقیه ی اون پس از نصب، توسط جوش در محل و یا پیچ های پرمقاومت تکمیل میشه (البته استفاده از اتصال پیچی بهتر از اتصال جوشیه 🔩).

 

 

متداول ترین اتصالات صلب تیر به ستون عبارتند از:

 

اتصال مستقیم:

بال فوقانی و تحتانی به طور مستقیم و بدون هیچ واسطه ای با جوش شیاری با نفوذ کامل به ستون جوش داده میشه. اجرای این جزییات در پای کار مشکله، زیرا طول تیر باید دقیقا به اندازه ی فاصله ی آزاد دو ستون بریده بشه که این عمل به راحتی امکان پذیر نیست.

لنگرهای خمشی از بال‌های کششی و فشاری به ستون منتقل شده و جان تیر نیز به بال ستون جوش میشه. این نوع اتصال خیلی کاربرد کمی داره و در برابر زلزله عملکرد ضعیفی داره.

 

 

اتصال با ورق زیرسری و روسری:

برای هر دو بال تحتانی و فوقانی به ترتیب از ورق های زیرسری و روسری استفاده میشه. ورق زیرسری در کارگاه بر روی زمین به ستون جوش شده و ورق روسری پس از نصب تیر روی اون مونتاژ و جوش میشه. لنگر خمشی وارده به تیر از طریق ورق‌ها به ستون منتقل میشه.

ورق تحتانی که وظیفه تحمل تنش فشاری رو بر عهده داره عریض تر از بال تیره تا از ایجاد جوش سر بالا جلوگیری بشه. ورق فوقانی که وظیفه تحمل تنش کششی رو بر عهده داره به صورت ضخامت متغیر (اصطلاحاً کله گاوی🐮) ایجاد میشه.

 

 

اتصال پیچی:

‌در این اتصال دو قطعه توسط فلنج به هم متصل میشن (منظور از فلنج ورق  سوراخ کاری شده است). این نوع اتصالات مقاوت بسیار بالایی در برابر بار زلزله دارن (تازه شکل پذیریش هم خوبه🤗).

اتصالات تیر به ستون پیچی متداول عبارتند از:

1- اتصال توسط ورق های بالا و پایین (اتصال با ورق بالا و نبشی نشیمن)

2- اتصال توسط ورق انتهایی

3- اتصال توسط زوج T تیرها

 

 

از بین اتصالات با پیچ، اتصال با ورق انتهایی از محبوبیت بیشتری برخورداره. مهم ترین مزایای اتصالات پیچی نسبت به اتصالات جوشی عبارتند از:

• هزینه نیروی کاری برای برپا کردن اسکلت و جوشکاری در محل برای اتصالات با جوش، بعضی وقت ها به حدی میرسه که اجرای کار عملی نیست.
• نصب اتصالات با پیچ، سریع تر از اتصالات با جوشه.
• در صورت هم راستا نبودن اعضای نصب شده (به واسطه اشتباهات اجرایی)، اتصال با پیچ رو میشه اصلاح کرد ولی اصلاح قاب های جوش شده بسیار مشکل بوده و علاوه بر اون ممکنه در اثر اعوجاج حاصل در اعضا، نصب و جوش دوباره اون ها به آسونی امکان پذیر نباشه.

 

3-1- اتصال نیمه صلب تیر به ستون

به اتصالاتی که مقداری گیرداری در تکیه گاه بوجود میارن و در نتیجه برش و لنگر رو توامان تحمل میکنن، اتصالات نیمه گیردار میگن. در این حالت، بین تیر و ستون دروان داریم اما مقدار دوران اون، کمتر از اتصال مفصلی و بیشتر از اتصال گیرداره. علاوه بر این مقداری لنگر گیرداری در تکیه گاه ایجاد میشه، که گیرداری اون بسته به وضعیت اتصال، بار و دهانه ی تیر،  بین 20 تا 90 درصد است.

بطور سنتی، اتصالات در قاب های فولادی به دو دسته صلب و مفصلی تقسیم بندی میشن. با این فلسفه  اتصالات صلب هیچ دورانی ندارن و تمام لنگر تیر رو به ستون منتقل میکنن، اما اتصالات مفصلی به راحتی دوران میکنن و هیچ لنگری به ستون منتقل نمیکنن. اما در واقعیت اتصالات نه کاملا صلب هستن و نه کاملا مفصلی هستن، بلکه رفتار بینابینی دارن. به همین دلیل بحث اتصالات نیمه صلب مطرح شده است.

مزیت اتصال نیمه صلب

در تیر تحت بارگذاری یکنواخت، با تکیه گاه های انتهایی صلب، لنگر در دو انتها بیشترین مقدار و در وسط دهانه کمترین مقدار رو داره. در همین تیر اگر اتصالات مفصلی باشن در وسط دهانه بیشترین مقدار لنگر و در دو انتها کمترین مقدار لنگر رو داریم. در حالیکه در تیر با اتصالات نیمه صلب، لنگر وسط دهانه و دو انتهای تیر به هم نزدیک هستن و این عامل سبب تعدیل لنگرها شده و باعث کوچکتر شدن شماره تیر میشه. بنابراین اگر بتونیم اتصال با سختی معین اجرا بکنیم، میتونیم تیر رو در حالت بهینه طراحی کرد.

مزیت دیگر استفاده از اتصالات نیمه صلب در قاب مقاوم خمشی، رعایت فلسفه ستون قوی تیر ضعیفه. براساس این فلسفه ظرفیت ستون در محل اتصال بیشتر از ظرفیت تیره (مفصل پلاستیک در تیر بوجود میاد). به خاطر نیمه صلب شدن اتصال در قاب ها، مقاطع تیرها کوچکتر و به خاطر کنترل تغییر مکان جانبی قاب، مقطع ستون ها بزرگتر از اعضای متناظر قاب ها با اتصال صلب میشه، بنابراین اصل ستون قوی- تیر ضعیف خودبخود رعایت میشه.

 

 

2- رفتار اتصال

اتصالات تیر به ستون مجموعه‌ای از نیروهای داخلی (محوری، برشی، خمشی و پیچشی) رو منتقل میکنن. در اتصالات قاب‌های سـاختمانی، معمـولاً تغییرشـكل‌هـای محـوری، بـر‌شـی و پیچشی در مقایسه با تغییر شكل خمشی ناچیز بوده و برای مقاصد طراحی از این تغییر شكل‌ها صرف نظر میشه. بنـابراین منحنـی‌ لنگـر – دوران، مناسبترین وسیله برای نشان دادن رفتار اتصاله. این منحنی‌ها رابطه میان لنگر وارد بر اتصال و تغییر زاویه بین تیر و ستون  رو به واسطه تغییر شكل ناحیه اتصال نشان میده.

برای اعمال اثر اتصال بر روی رفتار قاب، تعیین منحنی لنگر – دوران اتصال (مقدار دوران اتصال برابر است با اختلاف بین زاویه تیر و ستون قبل از بارگذاری و بعد از بارگذاری) و نمایش اون بـصورت یـك رابطـه ریاضی (مانند عبارت‌های نمایی، چند جمله‌ای و…) ضروریه. شکل زیر رفتار سه دسته مختلف اتصال نشان داده شده است.

 

 

3- بدست آوردن منحنی لنگر-چرخش

یکی از راه های بررسی رفتار اتصالات، استفاده از منحنی لنگر-دوران (چرخش🤸‍♂️) اونهاست. این منحنی به منحنی M-θ هم معروفه. همونجور که از اسم این منحنی مشخصه، در این منحنی تغییرات لنگر منتقل شده بین دو عضو اتصال برحسب تغییر زاویه ی بین دو عضو رسم میشه. منحنی لنگر-دوران یک اتصال با استفاده ازروش های زیر بدست میاد:

 

1-3- مطالعات آزمایشگاهی

در این روش نمونه هایی از اتصال ساخته، بارگذاری و آزمایش میشن و با تعبیه کرنش سنج هایی در هر مرحله بارگذاری، رفتار اتصال ثبت میشه و در انتها نیز نوع شکست دقیقا قابل مشاهده است. این روش دقیق ترین روش برای تعیین منحنی لنگر-دورانه (اما تست آزمایشگاهی هزینه بر و زمان بره💰⌛).

 

2-3- آنالیز اجزای محدود

به کمک اجزای محدود (نرم افزارهای انسیس و آباکوس👨‍💻) میشه با هزینه و زمان کمتری تعداد زیادی اتصال رو مورد بررسی قرار داد. اما باید بعضی از نتایج اون رو با تست های آزمایشگاهی کنترل کنیم (که بهش میگن صحت سنجی مدلسازی)، چراکه این روش به نحوه مدلسازی و فرضیات انجام شده بسیار حساسه و با فرض نادرست در پارامترهای ورودی، ممکنه نتایج کاملا اشتباه بدست بیاد.

 

3-3- مطالعات آماری و ریاضی

اگر تعداد زیادی نتایج آزمایشگاهی و اجزای محدود وجود داشته باشه، میتونیم با استفاده از روش های آماری و ریاضی مدل هایی برای رفتار لنگر- دوران اتصال ارائه بدیم. مسلم است که هرچه میزان اطلاعات بیشتر و گسترده تر باشه، مدل بدست اومده از جامعیت بیشتری برخورداره.

 

4- انواع شکست در اتصالات

نوع شکست اتصال میتونه روی شکل منحنی در چرخش های زیاد تاثیرگذار باشه. بطور کلی دو نوع شکست در اتصالات اتفاق میوفته :

• شکست نرم
• شکست ترد

در شکست نرم یا شکل پذیر، اتصال به مقدار قابل توجهی وارد مرحله خمیری میشه که این موضوع در بارهای رفت و برگشتی زلزله خیلی مهمه و باعث جذب انرژی زلزله میشه. اما در شکست ترد به علت عدم شکل پذیری اجزای اتصال، اتصال نمیتونه بطور کامل وارد مرحله خمیری بشه و به سرعت دچار ترک خوردگی شده و شکست زود هنگام میشه، که این شکست ناگهانی و زود هنگام بدترین پدیده در هنگام زلزله است که همواره باید از ایجاد اون پرهیز کنیم. در اشکال زیر سطح محصور شده توسط منحنی لنگر- دوران میزان جذب انرژی اتصال رو نشان میده (سطح آبی بزرگتر از سطح زرد رنگه، پس جذب انرژی بیشتری داره).

 

 

عدم شکل پذیری اتصال بطور کلی ناشی از عوامل زیر است:

• مصالح ترد شکن
• وجود تمرکز تنش در اتصال
• وجود تنش های پسماند زیاد در جوش ها
• ایجاد شرایط تنش دو محوره و سه محوره در اجزای اتصال
• وجود ورق های با ضخامت بالا

 

5- شرایط لازم برای اتصال مناسب

اتصال با سختی و مقاومت کمتر (رفتار نیمه صلب) اما شکست نرم به اتصال با سختی و مقاومت بالا (رفتار صلب) اما شکست ترد ارجحیت داره (تازه اتصالات نیمه صلب هزینه کمتری هم دارن💳).

بنابراین شرایط لازم برای یک اتصال خوب عبارتست از:

• مقاومت کافی
• سختی مناسب
• شکل پذیری کافی
• هزینه پایین
• قابلیت ساخت و نصب

اگر بتونیم اتصالی با شرایط بالا، طراحی و اجرا کنیم میتونیم از عملکرد اون اطمینان داشته باشیم.