اسکلت‌ فلزیِ پیچ و مهره‌ای ساختمان چیزگراتر

عملکرد پیچ و مهره و هزینه های ناشی از محاسبات نادرست:

شرکت سور فیلد به دلیل عدم عملکرد صحیح پیچ و مهره های به کار گرفته شده در ساختمان چیزگراتر 1 میلیون پوند متضرر می شود:

شرکت سور فیلد پیمانکار اسکلت فلزی پیچ و مهره ای ساختمان چیز گراتر اعلام کرد جایگزینی پیچ و مهره های ساختمان لیدن هال در لندن تا کنون بالغ بر 1 میلیون پوند هزینه در بر داشته است. 

از سال 2013 سه عدد از پیچ و مهره هایی که در ساختمان چیزگراتر دچار شکست پیچ شده اند هزینه های مالی و زمان در پی داشته است. عملیات ساخت اسکلت فلزی پیچ و مهره بر اساس برنامه زمانبندی شده در حال پیشروی است و مسئولین معتقدند مشکل موجود به واسطه استفاده نادرست از پیچ و مهره ها سود سال جاری را تحت تاثیر قرار نخواهد داد. با شکست همین سه پیچ و مهره شرکت سور فیلد مجبور شد تمام پیچ و مهره های بسته شده را باز کرده و جایگزین نماید.

سازه فلزی پیچ و مهره ای و استانداردهای جدید

استاندارد جدید پیچ و مهره های سازه ای – پیچ و مهره اسکلت فلزی:

استاندارد جدید ASTM   مشخصات پیچ و مهره های سازه ای را تلفیق می کند. استاندارد جدید ASTM  استاندارد های رایج پیچ و مهره های سازه ای را در بر خواهد داشت و تلفیقی از شش استاندارد کنونی پیچ و مهره خواهد بود. با در نظر گرفتن صد ها میلیون قطعه پیچ و مهره ای که سالانه بر اساس مشخصات تعیین شده توسط استاندارد ASTM تولید می شوند صنعت از شیوه ای که توسط استاندارد جدید  ASTM  که F3125  است تهیه می شود منفعت خواهد برد. خصیصه ای برای پیچهای سازه ای با مقاومت کم وپیچهای سازه ای با مقاومت بالا و سخت کاری شده با حداقل مقاومت کششی

120Ksa(830Mpaو150Ksi(1040Mpa)با رزوه های اینچی و میلیمتری.

اتصالات پیچ و مهره های سازه ای اجزاء ضروری و مهم یک اسکلت فلزی هستند که انواع مختلف سازه های فلزی را به یکدیگر متصل می کنند. از ساختمان های تا سازه های فضایی که در ترمینال هواپیمایی و تسهیلات ورزشی بکار برده می شوند.

شش استاندارد پیچ و مهره های اسکلت فلزی که در ASTM 3125  تلفیق شده اند بشرح زیر می باشند:

ASTM A325 , ASTM A325M     :شامل پیچ های فولادی سخت کاری شده با مقاومت معمولی

ASTM A490 , ASTM A490M     :شامل پیچ های فولادی سخت کاری شده با مقاومت بالا

ASTM F1825 , ASTM F2280     :شامل پیچ و مهره و واشر پیچ های کنترل تنش

کمیته ASTM F16  با رهبری موسسه فلزی آمریکا و شورای تحقیق اتصالات فلزی طرح پیشنهادی فوق را جهت تلفیق این استاندارد ها مورد بررسی قرار داده است. این فرایند نیاز های صنعت را مشخص و راه حل های ارزشمندی را پیشنهاد داده است.

چادلارسون مدیر عامل شرکت تولیدی پیچ و مهره لی ژون و مدیر مسئول کمیته زیر مجموعه ASTM در پیچ و مهره های فولادی در این رابطه می گوید: بعنوان مثال می توان گفت وقتی دیدگاههای تازه ، همکاریها و تلاشها با همدیگر ترکیب شوند چه اتفاق جالبی خواهد افتاد.

دلایل برتری پیچ و مهره نسبت به اتصال با جوش

سرعت نصب و اجرای اتصالات پیچ و مهره نسبت به اتصالات جوشی بسیار بالاتر است؛ 

چرا که در یک اتصال جوشی ساخت اسکله بعد از تخریب و اجرای فونداسیون می باشد ،

 حال آنکه در یک اسکلت پیچ و مهره ای  ساخت اسکله در هر زمانی حتی قبل از تخریب امکان پذیر خواهد بود و می توان به سرعت سازه را در محل نصب کرد .

بعلاوه سازه های پیچ و مهره ای از استحکام بیشتری برخوردار هستند، در صورت نیاز حتی می توان آنها را از هم باز کرده و در محل دیگری نصب کرد (مثل سوله ها) .

شرایط محیطی تاثیر چندانی بر مراحل نصب با پیچ و مهره ندارند. در صورتی که جوشکاری محدود به درجه حرارت محیط ، تهویه هوا ، محل استقرار ، دسترسی به اتصال می باشد ؛ 

همچنین مقاومت در برابر آتش سوزی ، زلزله و خوردگی در سازه فلزی پیچ و مهره ای از کیفیت بهتری برخوردار هستند .

پیچ شش گوش-پیچ شش گوش فولادی-پیچ H.V

دلایل برتری پیچ و مهره نسبت به پین و پرچ

نکته قابل توجه در مورد پرچ که باعث شده است در مقایسه با پیچ و مهره کارایی خود را از دست بدهد ، این است که پرچ نیروی گیرنده متناقضی از طرفین وارد میکند که تشخیص ظرفیت اصطکاکی نیروی برشی با مشکل مواجه می شود حال آنکه در اتصال پیچ و مهره ای می توان نیروی برشی و ظرفیت اصطکاکی را دقیقا محاسبه نمود . در مقابل ،پین ها دنده ندارند و توانایی بهم فشردن قطعات و در نتیجه توانایی انتقال نیروی اصطکاکی بین  قطعات را ندارند . پیچها عمدتا به دو روش بر روی یک سازه بسته میشوند

طراحی سازه فولادی پیچ و مهره ای

پیچ و مهره ، پین و پرچ جزء ابتدایی ترین اتصالات برای وصل کردن سازه های فلزی به یکدیگر می باشند . این اتصالات در مقایسه با اتصالات جوشی با مشکلات کمتری مواجه هستند و نیز به لحاظ اقتصادی ارزانتر می باشند . 

دلایل برتری پیچ و مهره نسبت به پین و پرچ : 

نکته قابل توجه در مورد پرچ که باعث شده است در مقایسه با پیچ و مهره کارایی خود را از دست بدهد ، این است که پرچ نیروی گیرنده متناقضی از طرفین وارد میکند که تشخیص ظرفیت اصطکاکی نیروی برشی با مشکل مواجه می شود حال آنکه در اتصال پیچ و مهره ای می توان نیروی برشی و ظرفیت اصطکاکی را دقیقا محاسبه نمود . در مقابل ،پین ها دنده ندارند و توانایی بهم فشردن قطعات و در نتیجه توانایی انتقال نیروی اصطکاکی بین  قطعات را ندارند . پیچها عمدتا به دو روش بر روی یک سازه بسته میشوند: 

به نوعی کار گذاشته شود که نیرو به موازات محور پیچ باشد ، که به آن نیروی تنشی وارد می شود . 

به نوعی کار گذاشته شود که نیرو عمود بر محور پیچ باشد ، که به آن نیروی برشی وارد می شود . 

دلایل برتری پیچ و مهره نسبت به اتصال با جوش : 

سرعت نصب و اجرای اتصالات پیچ و مهره ای نسبت به اتصالات جوشی بسیار بالاتر می باشد ؛ چرا که در یک اتصال جوشی ساخت اسکله بعد از تخریب و اجرای فونداسیون می باشد ، حال آنکه در یک اسکلت پیچ و مهره ای  ساخت اسکله در هر زمانی حتی قبل از تخریب امکان پذیر خواهد بود و می توان به سرعت سازه را در محل نصب کرد .بعلاوه سازه های پیچ و مهره ای از استحکام بیشتری برخوردار هستند، در صورت نیاز حتی می توان آنها را از هم باز کرده و در محل دیگری نصب کرد (مثل سوله ها) .شرایط محیطی تاثیر چندانی بر مراحل نصب با پیچ و مهره ندارند. در صورتی که جوشکاری محدود به درجه حرارت محیط ، تهویه هوا ، محل استقرار ، دسترسی به اتصال می باشد ؛ همچنین مقاومت در برابر آتش سوزی ، زلزله و خوردگی در سازه های پیچ و مهره ای از کیفیت بهتری برخوردار هستند .

اتصال سازه ها با استفاده از پیچ و مهره : 

از آنجاییکه امروزه اتصالات پیچ و مهره ای به دیگر اتصالات ترجیح داده می شوند ، تمرکز خود را بر روی این نوع اتصال و قابلیت آنها خواهیم گذاشت . 

نوع پیچ ها : 

پیچ ها از لحاظ نوع،توسط استانداردهایی نظیر / ASTM: (ASTM A307- ASTM A325 - ASTM A490 - ASTM A194 - ASTM A195)  (DIN931- DIN 933 – DIN 6914  - …  (   /  DIN - ISO 4014-  ISO 4017 - …)   ISO 7412  )  ISO :  /  GR  :   ( 12.9 – 10.9 – 8.8)    

مشخص می گردند که در بخش محصولات و مشخصات فنی وب سایت این شرکت توضیحات کامل داده شده است که از تکرار آنها در این بخش خودداری می کنیم ، اما آنچه مورد توجه قرار خواهد گرفت کارایی آنها به نسبت استانداردها در تحمل نیروهای وارد بر آن ها می باشد . 

طراحی نوع پیچ : 

بطور معمول در طراحی سازه ها بایستی از ابتدا تا انتها پیچها از لحاظ متریال و ابعاد هماهنگ ویکسان طراحی شوند.در اقع یکی از اصول کلیدی عدم وجود تناقض و نیز سازگار بودن و هماهنگی طرحها تا حد امکان است ؛ چرا که پیچیدگی بیش از حد طرحها ممکن است باعث بروز خطا شود . در طول طراحی ملزومات مورد نیاز یک پروژه انتقال صحیح اطلاعات توسط مهندسین سازه به مجریان پروژه از مطالب ضروری است . عمدتا در ابتدا استاندارد پیچ ، خط فاصله و سپس حروف اختصاری بعد از ان قرار میگیرند . 

حروف متداول عبارتند از : 

-N    :  سازه از نوع اتصال اتکایی است و پیچها به نوعی کار گذاشته می شوند که رزوه ها داخل سطوح برشی می مانند . 

X-     :  سازه از نوع اتصال اصطکاکی می باشد و رزوه ها در سطح برشی نمی مانند . (مثل DIN931 (

SC-   : اتصال دارای لغزش بحرانی است . این بدان معناست که سطح رابط بایستی الزامات متناسب با اصطکاک پایدار را داشته باشند . 

بستن پیچ : 

بستن پیچ و نیروی وارد بر آن بر اساس نوع سازه به لحاظ اعمال نیروی پیش تنیدگی حائز اهمیت است و در ابتدا بایستی نیروهای وارد بر پیچ در نظر گرفته شود . چنانچه نیازی به اعمال نیروی پیش تنیدگی نباشد بایستی پیچ ثابت شده و مهره محکم گردد . بدیهی است هرچه پیچ سفت تر شود نیروهای وارد بر پیچ کمتر خواهد بود و توسط نیروی اصطکاکی به سطوح انتقال داده خواهد شد . اما در عوض نیروی پیش تنیدگی بیشتری در پیچ ذخیره خواهد شد که باعث کشیدگی بیشتر میشود . برای روشن شدن مطلب در ابتدا بایستی مباحثی چون نیروهای وارد بر پیچ ، گسیختگی کششی ، گسیختگی برشی و .... مد نظر قرار گیرند که به تفصیل به آنها خواهیم پرداخت .  

تعیین حداقل ممکن : 

هدف از بررسی تعیین حداقل ممکن بر اساس مقاومت برای حصول اطمینان از قدرت کافی مشخصه های سازه ای برای تحمل نیروهای فرض شده وارده بر آنها می باشد بنابراین در مورد پیچ ها اینگونه بیان می شود : 

نیروی وارده بر پیچ  ≥  مقاومت پیچ

نیروهای وارده بر پیچ بسته به نوع نیروی وارده بر آنان یعنی برشی ( عمود بر پیچ ) و یا تنشی ( موازی با محور پیچ ) تعیین می گردد . 

نیروی وارد بر پیچ : 

نیروی وارده بر تمام پیچ ها نتیجه رابطه نیروهای وارد شده بر اتصال و هندسه اتصال سازه است . اصول مکانیک و تحلیل سازه ای نیروی یک پیچ مشخص در یک اتصال را مشخص میکند که در بخش های بعدی انواع روشها و محاسبات نیروهای وارد بر پیچ را به تفصیل توضیح خواهیم داد .  

مقاومت پیچ : پیچها دارای یک ظرفیت کششی و دو ظرفیت برشی هستند . که ظرفیت های اسمی هر کدام با R_n نمایش داده می شوند . 

نیروی کششی توسط تعیین حداقل ممکن گسیختگی کششی کنترل می شود بنابراین خواهیم داشت:

نیروی کشش پیچ ≥ گسیختگی کششی پیچ

نیروی برشی با یکی از دو عوامل تعیین حداقل ممکن زیر کنترل می شود : 

لغزش ( نیرویی که بر ظرفیت اصطکاکی سطوح متصل شده چیرگی پیدا می کند . )

گسیختگی برشی  ( نیرویی که باعث ناتوانی یا شکست برشی پیچ میگردد . ) 

بنابراین خواهیم داشت : 

نیرو برشی وارد بر پیچ ≥ مقاومت گسیختگی برشی پیچ

ار آنجاییکه استفاده از اتصال بیش از دو قطعه با پیچ معمول است نیروی منتقل شده توسط یک پیچ به عملکرد تعداد مقاطع برش در آن مقطع اتصال تبدیل می شود . بنابراین روش بهتر و مناسبتر تعیین حداقل ممکن بدین ترتیب خواهد بود : 

نیروی برشی وارده بر مقطع برش ≥ مقاومت لغزشی مقطع برش

نیروی وارده بر مقطع برش ≥ مقاوم