به نام یگانه مهندس هستی

اتصالات گیردار ازپیش تایید شده درسازه های فولادی

مقدمه

اتصالات گیردار تیر به ستون یکی از مهمترین و پیچیده ترین بخشهای طراحی سازه های فولادی است. این اتصالات نقش حیاتی در انتقال بارها و نیروهای وارد بر سازه به ستونها و در نهایت به فونداسیون دارند. در سازه های فولادی، اتصالات گیردار به دلیل توانایی بالا در تحمل نیروهای خمشی و برشی، به طور گستردهای مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع اتصالات با استفاده از جوش، پیچ و یا ترکیبی از هر دو، به گونه‌ای طراحی می‌شوند که بتوانند پایداری و استحکام لازم را برای سازه فراهم کنند .

در این مقاله، به بررسی انواع مختلف اتصالات گیردار تیر به ستون و روشهای اجرای آنها خواهیم پرداخت. همچنین، به تحلیل رفتار این اتصالات تحت بارها و تاثیر آنها بر عملکرد اتصال پرداخته خواهد شد.

اتصال گیردار تیر به ستون به صورت جوشی و ساده و علت استفاده از اتصالات از پیش تايید شده

آیا با اتصال صرفا جوشی یک تیر به ستون می‌توا‌ن گفت که اتصالی گیرداری داریم که اتصال صحیحی نیز هست؟قطعا خیر با جوش دادن ساده یک تیر به ستون ولو اینکه تمامی بالها و جان به صورت کامل به ستون جوش شود و از نظر تئوری اتصال گیرداری داشته باشیم باز هم‌این اتصال صحیح نیست.مشکل این اتصال گیرداری یا مفصلی بودن آن نیست بلکه مشکل آن این است که نوع خرابی و محل خرابی تحت بارگزاری مشخص نیست و عملا نمیدانیم خرابی این اتصال از چه محلی رخ خواهد داد.
به همین دلیل آیین نامه با انجام آزمایشات گسترده روی طیف وسیعی از انواع اتصالات گیردار،اتصالاتی را معرفی نموده که شروط مدنظر آن را ارضا می‌کند.با آزمایش های فراوان روی این اتصالات محل خرابی آنها،همچنین نوع خرابی آنها از نظر شکل پذیر بودن یا ترد شکن بودن توسط آیین نامه تضمین شده و به راحتی می‌توان بدون انجام آزمایش های مجدد از آنها در طراحی استفاده نمود.

اگر بخواهیم نوعی اتصال گیردار طراحی کنیم که مانند اتصالات از پیش تایید شده نباشد باید شروط آیین نامه را بررسی و طبق آن طراحی جدیدی ارائه کنیم.

برای بررسی این اتصالات ابتدا مقایسه ای از اتصال گیردار و مفصلی انجام میدهیم.

مقايسه عملکرد اتصال گیردار و مفصلی

همانطور که می‌دانید و در مقالات قبلی کامل توضیح دادیم اتصال گیردار (صلب) تمامی نیروها و لنگرهای خمشی را منتقل می‌کند اما در اتصال مفصلی تنها نیروهای محوری و برشی منتقل می‌شود و اجازه چرخش در محل اتصال را می‌دهد به بیانی ساده تر اتصالات گیردار لنگر را منتقل و زاویه بین تیر و ستون ثابت اما اتصال مفصلی لنگری انتقال نمی‌دهد و زاویه بین تیر و ستون میتواند تغییر کند.

همانطور که مشاهده می‌کنید در این اتصال بال تیر به ستون متصل نیست یا به اصطلاح دارای بادخور است.

اتصال گیردار

در این اتصال بال تیر به ستون جوش داده می‌شود.
در اتصالات گیردار عمده انتقال لنگر از طریق بال انجام می‌شود و جان سهم بسیار کمی در انتقال لنگر خمشی داراست. هنگامی که بال ها
تحت فشار یه کشش قرار می‌گیرند این لنگر تولید شده به ستون از طریق جوش بال به ستون منتقل می‌شود.(به تصویر زیر توجه کنید)

ایجاد فشار و کشش در بال ها و انتقال لنگر خمشی

مشکلی اساسی در اتصال جوشی بال تیر به صورت مستقیم به ستون

با اتصال جوشی مستقیم بال تیر به ستون قسمتی که این اتصال انجام شده است و عمل جوشکاری انجام شده است به دلیل دمای بالا و خاصیت جوش بسیار ترد شده و در هنگام انتقال لنگرهای خمشی بزرگ شکسته شده یا به اصطلاح تردشکن خواهد شد. پس از شکستن جوش از بر اتصال تیر به صورت کامل از ستون جدا شده و تهدید جدی برای سازه به وجود می‌آورد.

به تصاویر زیر دقیت کنید.

همانطور که مشاهده می‌کنید به علت ترد شدن محل جوشکاری در بر اتصال تیر به ستون،شکست ترد اتفاق افتاده و تیر به صورت کامل از
دست می‌رود.
پس در یافتیم که اتصال جوشی مستقیم تیر به ستون مناسب نبوده و باید از اتصالات گیردار از پیش تایید شده در آیین نامه یا اتصال گیرداری
که ضوابط آیین نامه را پاس کند استفاده نمود.

اتصالات گیردار از پیش تايید شده

دو مشکل اصلی اتصال جوشی مستقیم تیر به ستون، شکست ترد و به وجود آمدن خرابی در بر اتصال بود.

پس برای مقابله با این مشکل برخلاف آنها عمل کرده و سعی داریم محل خرابی را در اتصالات گیردار به داخل تیر هدایت کرده و با به وجود آوردن خرابی نرم از شکست ترد و تردشکنی جلوگیری کنیم.

با توجه به تصویر بالا ،با روش هایی که توضیح خواهیم داد محل خرابی را به داخل تیر انتقال داده و از خرابی در بر اتصال جلوگیری می‌کنیم.
قسمت هایی از تیر که خرابی در آن ناحیه رخ می‌دهد ، مفصل پلاستیک نامیده شده و در این ناحیه تمامی نقاط مقطع به تنش تسلیم رسیده
است یا به اصطلاح تمامی نقاط مقطع خمیری شده است و از ناحیه خطی در نمودار تنش کرنش فراتر رفته و وارد ناحیه پلاستیک شده است.

هنگامی که تنش ایجاد شده در تمام نقاط یک مقطع از تنش تسلیم بیشتر شود،در آن قسمت از مقطع مفصل پلاستیک رخ می‌دهد.
(ناحیه قرمز رنگ تصویر بالا)

ایجاد شدن مفصل پلاستیک با فاصله Sh از بر ستون

راهکارهايی جهت اتصال گیردار با خرابی نرم

با روش های مختلفی میتوانیم به اتصالی دست یابیم که اولا خرابی ترد نداشته و بتواند خرابی را به داخل تیر هدایت کند.

۱- تقویت محل اتصال تیر به ستون

با تقویت محلی اتصال تیر به ستون و تقویت بر اتصال می‌توان آن قسمت که خرابی رخ خواهد داد را به جلوتر یعنی داخل تیر هدایت نمود.به عنوان مثال با استقاده از ورق هایی به صورت لچکی یا ورق های روسری و زیرسری مثل ورق کله گاوی براتصال را تقویت کرده و اجازه ایجاد مفصل پلاستیک در آن ناحیه را نخواهیم داد.
مفصل پلاستیک در این روش درست پس از ورق های لچکی ، زیرسری و روسری رخ خواهد داد.

استفاده از ورق لچکی جهت تقویت بر اتصال

ایجاد شدن خرابی نرم درست پس از محل تقویت شده با لچکی

به جای استقاده از ورق های لچکی آیین نامه اجازه استقاده از ورق زیرسری و روسری را می‌دهد اما استفاده از این روش درحال منسوخ شدن توسط آیین نامه است،به دلیل اینکه جوش اتصال دهنده این دو ورق به بال های تیر باید جوش از نوع نفوذی بوده و در کارگاه و شرایط بد محیطی از نظر ارتفاع،آب و هوا و عدم تسلط کامل جوشکار در ارتفاع،رسیدن به جوش نفوذی بسیار سخت می‌باشد.همچنین علت دیگر این است که هنگام طراحی این ورقها ضخامت این ورقها به نسبت زیاد می‌شود.

اتصال گیردار با ورق روسری و زیرسری( WFP )
ایجاد مفصل پلاستیک پس از پایان ورق های زیرسری و روسری

۲- ضعیف کردن عمدی تیر در محل مدنظر( RBS )

در این روش با کاهش عرض بال تیر و ضعیف کردن عمدی این محل میتوان ناحیه ایجاد شدن مفصل پلاستیک را محیا کرد.زیرا با ضعف این قسمت تارهای بال سریع تر به تنش تسلیم خود رسیده و مفصل پلاستیک را در محل مورد نظر ایجاد می‌کند.

ایجاد مفصل پلاستیک از این جهت اهمیت دارد که با ایجاد مفصل پلاستیک مقدار زیادی نیرو صرف شده و با قربانی کردن آن قسمت،از اسیب دیدن سایر نقاط حیاتی تر جلوگیری می‌کنیم به عبارتی دیگر نیروی وارد شده به سازه را درمحلی با اهمیت کمتر مستحلک می‌کنیم.

کاهش عرض بال و ضعیف کردن محل مورد نظر تشکیل مفصل پلاستیک

در فاصله Sh از بر ستون مفصل پلاستیک تشکیل خواهد شد

۳-اتصال جوشی مستقیم (با دیتیل خاص ورق جان)( WUF-W )

در این اتصال برخلاف دو اتصال قبلی مفصل پلاستیک در بر اتصال شکل میگیرد اما به دلیل دیتیل خاصی که جان تیر را به ستون اتصال می‌دهد از شکست ترد جلوگیری میکند و همچنان خرابی نرم ایجاد می‌شود.