اتصال سازه ها با استفاده از پیچ و مهره-2
طراحی پیچ و مهره در سازه های فلزی-
بخش دوم :
مکانیک انتقال نیرو :
بیشترین کاربرد اتصالات مکانیکی ( پیچ و مهره ، پین و پرچ .... ) در سازه هایی است که فشار بر محور پیچعمود میباشد ( شکل 2.1 ) در چنین شرایطی نیروی اصلی در پیچ برش است . کاربرد سازه هایی که اتصال آنهانیروی وارده بر پیچ به موازات محور پیچ است کمتر می باشد ( شکل 2.2 ) که نیروی اصلی وارد بر پیچ نیروی کشش خواهد بود .
حال مکانیسم انتقال نیرو را بررسی دقیق تری می کنیم .
پیچ تحت فشار برش :
همانطور که در بخش پیش بیان شد پیچها یا معمولی بسته می شوند و یا تحت فشار یا همان پیش تنیدگی که تفاوت آنها در این است که در بسته شدن با فشار معمولی نیروی محکم کننده مناسب جهت اتصال و اعمال بیشتر اصطکاک دو بدنه به یکدیگر بوجود نمی آید. حال با مد نظر قرار دادن بستن پیچ با شرایط اعمال فشار پیش تنیدگی بحث را آغاز می کنیم .
اگر اتصالی نظیر شکل 2.1 را در تست فشار دهیم نسبت نیرو به منحنی دفرمگی چیزی شبیه به شکل 2.3 خواهد بود .
همچنان که بار به مقطع اتصال بیشتر اعمال می شود ، نیروی اصلی بین سطوح اتصال توسط اصطکاک منتقل می شود . ظرفیت اصطکاک نتیجه نیروی معمول ( N ) بین صفحات است که توسط تنش یا فشار پیچ و چقرمگی سطوح اتصال پدید می اید . که بوسیله ضریب اصطکاک µ سنجیده می شود .
در دروس استاتیک خود به خاطر می آورید که ظرفیت اصطکاک برابر است با Nµ . بمحض اینکه نیروی وارده از ظرفیت اصطکاک فراتر میرود ( به عنوان مثال ظرفیت لغزش اسمی ) سطوح متصل شده تا زمانی که وزنشان روی پیچ بیافتد بر روی همه خواهند لغزید (به خاطر بیاورید که قطر سوراخها از قطر پیچ بزرگتر است که اجازه چنین لغزشی را میدهد ) پس از وقوع لغزش نیرو از طریق لبه های سوراخها و پیچ به خود پیچ منتقل میشود . پیچ این نیروی برشی را با سطح متصل شده متحمل می شود . بنابراین افزایش بیش از حد ظرفیت برشی پیچ و یا یکی از حدود تعیین شده اجزای اتصال منجر به شکست اتصال می شود .همانطور که در شکل 2.2 می بینید هر اتصالی دو ظرفیت برش خواهد داشت :
ظرفیت تحمل بار بدون لغزش
ظرفیت تحمل بار بدون شکست برشی پیچ
اولی ظرفیت لغزش بحرانی اسمی نامیده می شود و دومی ظرفیت تحمل اسمی در روش بستن پیچ بدون فشار بیشتر تنیدگی لغزش در فشار وزنی خیلی کمتری اتفاق می افتد بنابراین ظرفیت لغزش اسمی قابل چشم پوشی است . تنها ظرفیت موجود برای چنین اتصالی ظرفیت تحمل اسمی است .
برای درک بهتر انتقال نیرو به نقشه پیچ در شکل زیر توجه بفرمایید .
هر کدام از صفحات به طرف جداگانه ای از پیچ فشار می آورند . که درهر مورد ما فشار را بصورت یکسان و مورد نظر بین پیچ ها پخش می کنیم . حداکثر برش در پیچ در سطح اتصال قطعات رخ می دهد ، بنابراین ظرفیت تحمل پیچ همان مقاومت برشی پیچ در نقطه ایست که نیروی برش به حداکثر می رسد .
اگر حداکثر نیروی برش از ظرفیت پیچ فراتر رود پیچ متحمل شکست برشی خواهد شد . محل حداکثر برشی پیچ عموما مقطع برش نامیده می شود . پیچ نمایش داده شده در تصویر 2.4 از آنجاییکه تنها یک مقطع برشی بحرانی دارد ، پیچی با یک سطح برشی است ( تک مقطع برش ) . داشتن بیش از یک مقطع برش ممکن است ( دوبل مقطع برش ) تصویر 2.5 نشان می دهد که پیچ دو مقطع برش دارد . و این نوع پیچ ها دو برابر یک پیچ تک پیچ تک مقطع برشی قابلیت تحمل نیرو دارند . تولید پیچ با داشتن مقاطع بیشتر برش نیز امکان پذیر است .
پیچ های تحت فشار تنش :
مکانیسم این پیچ ها نسبت به پیچ های تحت فشار برش ، پیچیدگی کمتری دارد . چرا که لغزشی در کار نیست . هکچنین مقاطع برش نیز وجود ندارند . ظرفیت پیچ صرف نظر از تعداد صفحاتی که قرار است بهم متصل شوند ، همان است . نیروی کشش با محور پیچ موازی است و فرض بر این است که با سطح مقطع پیچ متمرکز باشد که در نتیجه فشار در کلیه سطوح یکسان می شود . ( شکل 2.6 ) پدیده قابل توجه در مورد مد نظر قراردادن فیزیک این طبقه بندی این است که پیش تنیدگی پیچ مشکلی ایجاد نمی کند . چرا که با افزایش بار کششی به یک اتصال در ابتدا فشار اتصال در بین اجزای متصل شده کاهش می یابد . بنابراین هیچ نیروی کششی بیشتر از نیروی پیش تنیدگی را تا زمانی که بر استرس تماس بین اجزای متصل شده فایق آید متحمل نخواهد شد . تخمین ها در طراحی بگونه ای خواهد بود که استرس تماس و پیش تنیدگی پیچ در زمان محاسبه فشار تماس وارده f_t نادیده گرفته شوند و نیرو در واقع به پیچ وارد میشود .
امروزه با پیشرفت قابل توجه صنعت ساختمان اسکلت فلزی پیچ و مهره جایگزین اسکلت فلزی بتنی و جوشی شده است. که با توجه به مقاوت بالای پیچ و مهره در مقابل زلزله و اصطکاک لغزشی گزینه بسیار مناسب تری از اسکلت فلزی جوشی و بتنی میباشد. پیچ و مهره های مورد استفاده در اسکلت فلزی پیچ و مهره های شش کوش فولادی گرید 8.8 بودند که به مرور زمان با اتفاقاتی که در زلزله جنوب کشور در چند سال اخیر رخ داد از پیچ و مهره با مقاومت بالا تر استفاده می کنند که شامل پیچ و مهره خشکه یا پیچ و مهره فولادی گرید 10.9 می باشند و در سازه های فولادی که ارتفاع زیادی دارند برای مقابله با شکست پیچ و لغزش از پیچ و مهره های HV در گرید 10.9 استفاده میشود که در مقایسه با پیچ و مهره 10.9 معمولی از گل بزرگتری برخوردار است و تماما به صورت نیم رزوه می باشد که باعث می شود مقاومت بالاتری از خود نشان بدهد در مقابل تمام رزوه. پیچ و مهره های 8.8 و 10.9 شامل استاندارد DIN 931 , Din933 ,Din 934 هستند و شامل استاندارد Din6914 , Din6915 می باشد. که در تمامی این پیچ و مهره ها از وار های فولادی HV10 که شامل استاندارد Din 6916 است استفاده میشود.
پیچ و مهرهHV کاربرد بسیار فراوانی در صنعت پل سازی دارد. و علت کاربرد فراوان این پیچ و مهره ها در این صنعت مقاومت بالای آنها در مقابل لغزش می باشد. همان طور که 50 سال پیش در آلمان در صنعت پل سازی و اسکلت فلزی از این پیچ و مهره ها استفاده می شد ولی متاسفانه در ایران به تازگی از این صنعت پیچ و مهره استفاده و به کاربرد مهم آن پی برده شده است. این پیچ و مهره ها هر ساله به دلیل اهمیت و حساسیت بالا نیاز به بازدید و بازرسی و همچنین تعمیر و حتی تعویض در پل سازی ها دارد. شرکت اتصالات نوین امروزه تولید انواع پیچ و مهره های اسکلت فلزی در گرید 8.8 و 10.9 و HV10 به صورت فرج گرم و فرج سرد را دارد.
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: (پیچASTM A307- پیچASTM A325 - پیچASTM A490 - و....)
DIN :(-پیچ فولادیDIN933 –پیچ فولادی DIN6914 و.....)
پیچ فولادی (ISO :( ISO 4014- ISO 4017 - ISO7412
(پیچ فولادی گرید 8.8 ،پیچ فولادی گرید 10.9،پیچ فولادی گرید 12.9)
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 پیچ 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 . (DIN6914 مثل)
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 و مهره 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 ≥ مقاومت لغزشی مقطع برش
توضیح اینکه برای اتصالات اصطکاکی از پیچ و مهره H.V و پیچ HV استانداردA490 استفاده می شود.
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 .
آنچه در طراحی پیچ و مهره اسکلت فلزی باید مد نظر قرار داد مبحث دهم مقررات ملی ساختمان سه نوعپیچ را برای به کار گرفتن در اسکلت فلزی تعریف کرده است ، پیچهای معمولی ،پیچهای پر مقاومت وپیچهای مقاومت متوسط که به ترتیب رده مقاومتی 5.6 و4.6 برای پیچهای معمولی یا آهنی پیچهای پر مقاومت 10.9 و پیچهای فولادی با مقاومت متوسط با گرید 8.8 در اسکلت فلزی می باشد. این اعداد معرف مقدار تنش جاری شدن و تنش گسیختگی پیچ می باشد. به عنوان مثال در گرید 8.8 در اسکلت فلزی پیچ و مهره منظور از 8 اول حداقل مقاومت نهایی پیچ برابر 8000 کیلو گرم و منظور از 8 دوم تنش جاری شدن پیچ در اسکلت فلزی برابر 8000 می باشد که معادل 6400 کیلوگرم بر سانتیمتر میباشد.X0.08 استانداردdin برابعاد پیچ تمرکز دارد که din931 پیچ نیم رزوه و din933 پیچ تمام رزوه در پیچ و مهره های اسکلت فلزی می باشد که این پیچها می تواند با گرید 5.6 و 8.8 و 10.9 تهیه شوند و برای اتصالات اتکایی در اسکلت فلزی مناسب می باشد. مهره ای که در اسکلت فلزی استفاده می شود با din934 شناخته می شود اما din6914 تنها با گرید 10.9 تولید می شود که استحکام کششی این پیچها 10000 kg/cm و تنش کششی آنها 9000 kg/cm است که از مقاومت بالایی در اسکلت فلزی برخوردار است و در اتصالات اصطکاکی به کار گرفته می شود. باید در نظر داشت که این پیچها رزوه کمتر و گل بزرگتری دارند یعنی آچاگیر آنها بزرگتر است. مهره مجاز برای این سازه های فولادی(اسکلت فلزی) din6915 و واشر آن din6916 می باشد و امااستاندارد ASTM برای پیچهای شش گوش اسکلت فلزی در سه نوع تعریف شده است که به ترتیب ASTM A307 و ASTM A325 و ASTM A490 می باشد.
پیچ شش گوش پیچ 6 گوش پیچ H.V پیچ h.v پیچ و مهره h.v پیچ و مهره H.V پیچ A490 پیچ A325