تاریخچه سازه های فولادی

تاریخچه سازه های فولادی
استفاده از فلز به عنوان مصالح سازه ای ، به ساخت یک پل قوسی در انگلستان به دهانه 30 متر با استفاده از اعضای چدنی بین سال های 1777 تا 1779 بر می گردد. بین سالهای 1780 تا 1820 میلادی ، پل های چدنی متعددی به همین شیوه ساخته شد . تیر اصلی این پل ها ‏ خراپاهای قوسی با اعضایی از جنس چدن بود . چدن برای ساخت زنجیرها و آویزهای پل های معلق اولیه تا حدود سالهای 1840 مورد استفاده قرار می گرفت .
حدودا از سال 1840، به تدریج آهن کم کربن (چکش خوار ) جایگزین چدن معمولی درامر ساختمان سازی شد . قدیمیترین مثال مهم دراین زمینه ‏، پل چهار دهانه بریتانیا در ویلز با دهانه های 70،140،140،70 متر می باشد که برای ساخت آن از ورق ها و نبشی هایی از جنس آهن کم کربن استفاده گردید.
با تولید و نورد نیمرخ های مختلف ازجنس چدن و آهن کم کربن ، استفاده از این دو فلز ، گسترش بیشتری یافت . نورد میلگرد ها درسال 1780 و نورد ریل ها در سال 1820 شروع شد که نهایتا به نورد نیمرخ های I شکل درسال 1870 انجامید .
ابداع روش بسمر درسال 1855 و توسعه و تکامل آن درسال 1870 ، باعث افزایش کاربرد چدن و مشتقات آن درساختمان گردید . ازسال 1890 به تدریج فولاد جایگزین آن کم کربن درامر ساختمان سازی شد . درحال حاضر فولاد از عمده ترین مصالح ساختمانی می باشد که با تنش های جاری شدن (تسلیم ) ، 2400 تا 7000 کیلوگرم برسانتی متر مربع به منظورهای مختلف تولید می شود . مشخصات انواع مختلف فولاد و خواص آنها دربخش های دیگر همین فصل مورد بررسی قرار می گیرد .
ساختمان های فولادی
سازه های فولادی به سه گروه اساسی طبقه بندی می شوند :
الف : سازه های قاب بندی شده که مجموعه ای اعضای محوری ، خمشی و یا محوری – خمشی می باشند .
ب : سازه های پوسته ای که دراعضای آنها نیروی محوری قالب است .
پ : سازه های معلق که دراعضای آنها نیروی کششی حاکم است .
سازه های قاب بندی شده
اکثر سازه های ساختمان های متداول دارای اسکلت قاب بندی شده می باشند . سازه های قاب بندی شده ترکیبی از تیرها و ستون ها می باشند که با استفاده از اتصالات صلب و یا ساده به یکدیگر متصل شده اند . سازه های قاب بندی شده ممکن است به صورت ساختمان های چند طبقه و درشکل 1-2 مثال هایی از ساختمان های صنعتی نشان داده شده است . به طور کلی سازه های قاب بندی شده از ترکیب دو سری قاب صفحه ای عمود برهم بوجود آمده و تشکیل قاب فضایی را می دهند . لیکن عملکرد قاب های موجود درهر امتداد ‏ تاثیری بر عملکرد قاب های امتداد دیگر ندارد . بنابراین تحلیل قاب های هر امتداد به طور مستقل به صورت صفحه ای انجام می شود . قاب های ساختمانی باید قادر به حمل نیروهای قائم و جانبی باشند . برای حمل بارهای جانبی یا از اتصالات صلب (شکل 1-1-الف ) و یا ازسیستم مهاربندی (شکل 1-1-ب) استفاده می شود . پل ها نیز از انواع سازه های قاب بندی شده هستند که درشکل 1-3 مثال هایی از آنها نشان داده شده است .
سازه های پوسته ای
سازه های پوسته ای به صور گوناگون از قبیل منابع نگهداری مایعات و گازهای تحت فشار ، سیلور ها ، سقف های گنبدی و موارد مشابه درعمل مورد استفاده قرار می گیرند که درشکل 1-4 مثال هایی از کاربرد آنها نشان داده شده است . مشخصه اصلی این سازه ها این است که فضاکار می باشند یعنی به علت اندرکنش اجزای موجود درامتداد های مختلف ، نمی توان آنها را بصورت ترکیبی از سازه های صفحه ای درنظر گرفت و برای تحلیل باید کل سازه به عنوان یک مجموعه واحد طراحی شود . تحلیل و طراحی چنین سازه هایی احتیاج به مهارت های ویژه ای دارد که هدف از این کتاب پرداختن به چنین موضوعاتی نمی باشد .
مقاومت درمقابل بارهای جانبی مقاومت درمقابل بارهای قائم
الف – اتصالات صلب ب – قاب مهاربندی شده
سازه های معلق
سازه های معلق اغلب درپوشش ها (سقف ها) و پل های دهانه بلند مورد استفاده قرار می گیرند. درچنین سازه هایی یک اسکلت قاب بندی شده وجود دارد (مثلا درپل سازی ، عبورگاه یا عرشه پل و درپوشش ها ، اسکلت سقف ) که توسط آویزهایی از کابل های کششی اصلی آویزان است . استفاده از سازه های معلق درپل سازی بسیار متداول است .
نیمرخ های ساختمانی
برای استفاده از فولاد به عنوان عضو ساختمانی ، باید آن را به شکل مناسب درآورد . برای فرم دادن فولاد ، ازنورد گرم استفاده می نمایند . بدین معنی که شمش های فولاد را تادمای سرخ شدن حرارت می دهند و سپس با عبوردادن آن ازمیان غلتک های مخصوص، شکل مورد نظر را بدست می آورند . هریک از نیمرخ ها دراندازه و مشخصات هندسی متعددی تولید می شود.
نوع دیگری از تولید نیمرخ های ساختمانی وجود دارد که درآن ورق فولادی درحالت سرد با استفاد از پرس به شکل دلخواه فرم داده می شود .
ورق های ضخیم را نمی توان با فرم دادن به شکل نیمرخ دلخواه درآورد . درچنین حالاتی ورق ها درعرض های مورد نظر بریده شده و توسط جوش به یکدیگر متصل می شوند تا نیمرخ دلخواه حاصل گردد. به چنین نیمرخ هایی ‏، نیمرخ های ورقی گفته می شود .
با ترکیبی از ورق و نیمرخ نورد شده نیز می توان نیمرخ مورد نظر را به دست آورد که درآن صورت نیمرخ مرکب گویند .

نیمرخ های مناسب برای اعضای ساختمانی
اعضای ساختمانی با توجه به نیروی داخلی شان به اعضای فشاری (ستون ها ) ‏، اعضای خمشی و اعضای فشاری خمشی (تیر-ستون )طبقه بندی می شوند . برای استفاده موثر از مصالح ، به تجربه و تئوری برای هریک از اعضای فوق و نیمرخ های مناسب برای آنها می پردازیم . بطور عمومی نیمرخ های مصرفی ممکن است به صورت تک یا گروهی (که به آنها مرکب گفته می شود ) مشخصات هندسی مورد نظر را تامین می نمایند .
اعضای کششی
اعضای کششی به صورت اعضای قطری و قائم ویال تحتانی یا فوقانی خرپا ، اعضای مهاربندی ، آویزهای کف و کابل های کششی درساختمان های معمولی و پل سازی مورد استفاده قرار می گیرند . درشکل الف نیمرخ های معمول برای این گونه اعضا نشان داده شده است . دراکثر اوقات وظیفه این نیمرخ ها تامین سطح مقطع کافی می باشد .

اعضای فشاری (ستون ها )
اعضای فشاری بصورت قطری و قائم ویال تحتانی یا فوقانی خرپاها ‏و ستون درساختمان های معمولی و پل سازی مورد استفاده قرار می گیرند . درشکل زیر نیمرخ های معمول برای اعضای فشاری نشان داده شده است . با توجه به وجود پدیده کمانش دراعضای فشاری ، نیمرخ های مناسب برای آنها باید دارای سطح مقطع و شعاع ژیراسیون مناسب باشد .
اعضای خمشی
اعضای خمشی به صور مختلف ازقبیل ، تیر نعل درگاهی ، تیرچه سقف ، تیرهای اصلی (شاهتیرها ) ، و لاپه ها مورد استفاده قرار می گیرند . معمول ترین نیمرخ های خمشی ‏، نیمرخ های نورد شده I شکل هستند . درچنین نیمرخ هایی با قرارگرفتن اجزای مقطع دردورترین فاصله نسبت به تار خنثی ‏، ممان اینرسی لازم برای مقابله با لنگر خمشی داخلی تامین می گردد. درصورت بزرگ شدن ابعاد مقطع ، نیمرخ I را با استفاده از ورق و اتصالات جوشی یا پیچی می سازند که دراین صورت به آن تیر ورق گفته می شود . برای کارهای سبک ، از تیرچه های سبک جان تاز استفاده می شود . درشکل زیر نیمرخ های معمول برای اعضای خمشی نشان داده شده است . درگوشه سمت راست و پائین شکل زیر، به استفاده از دال بتنی به عنوان بال فشاری نیمرخ ، اشاره شده است .

تیر – ستون ها
تیر-ستون ها اعضایی هستند که در آنها نیروی محوری ولنگر خمشی تواماً وجود دارد . برای چنین اعضایی باید نیمرخ هایی انتخاب گردد که دارای سطح مقطع ، ممان اینرسی وشعاع ژیراسیون مناسب درحول هر دو محور باشند . نیمرخ های مناسب برای اعضای فشاری برای تیر- ستون ها نیز مناسب هستند .
روش های طراحی
همان طور که گفته شد : فلسفه هر طراحی ‏ تولید سازه ایمن و اقتصادی می باشد . اگر مقاومت ساز با S و بارهای وارد بر آن را با L نمایش دهیم ، شرط سازه ایمن این می باشد که :

همان طور که می دانیم مقاومت S و بارهای وارده L ، طبیعت آماری داشته و به یقین نمی توان گفت که مقاومت مصالحی که از کارخانه بیرون می آید چه مقداری است و یا باروارد بریک ساختمان دقیقاً چقدر است . ازطرف دیگر ، درروش هایی که برای تحلیل سازه به کار می رود ، فرضیاتی وجود دارد که این فرضیات ، درعمل و اجرا دقیقاً قابل تامین نمی باشند . لذا لازم است ضرایب اطمینانی بر دو طرف معادله فوق اعمال نمود تا اطمینان از ایمنی سازه به دست آورد . البته مقدار ضریب اطمینان دربخش بعد مورد توجه قرار خواهد گرفت ، لیکن مسئله ای که دراینجا احتیاج به تذکر دارد این است که ضریبی که بر S اعمال می شود همواره باید کوچک ر از 1 و ظریبی که بر L اعمال می شود باید بزرگ تر از 1 باشد . درنتیجه رابطه 1-6 بصورت زیر نوشته می شود :

که دررابطه فوق :
= ضریب کاهش ظرفیت که همواره کوچک تر از 1 می باشد .
= ضریب تشدید بار (یا ضریب بار) که همواره بزرگ تر از 1 می باشد .
برحسب چگونگی اعمال ضرایب و درحال حاضر سه روش طراحی توسط آئین نامه ها به رسمیت شناخته می شود :
الف : روش تنش های مجاز
درروش تنش های مجاز ، هر دو ضریب اطمینان به سمت چپ معادله آورده می شوند . درنتیجه رابطه 1-7 به صورت زیر بدست می آید :

بدین معنی که مقاومت سازه که درضریب کوچک تر از 1 ضرب شده است ‏، باید بزرگ تر از بارها واره بدن اعمال هیچ گونه ضریبی باشند . درعمل درطراحی به روش تنش های مجاز ، تنش های نهایی یا بحرانی درضرایب کوچک تر از واحدی ضرب می شوند ، تا تنش های مجاز عضو یا توجه به روابط مقاومت مصالح و مشخصات هندسی مقطع محاسبه می شود . ظرفیت مجاز محوری ، برشی و یا خمشی عضو که بدین نحوه به دست می آید باید بزرگ تر از نیروهای داخلی سازه باشد که از تحلیل الاستیک سازه درمقابل بارهای وارده مرده و زنده بدون ضریب به دست می آیند .
ب : روش طرح پلاستیک
درروش طرح پلاستیک ‏، هر دو ضریب اطمینان به سمت راست معادله برده شده و درنتیجه شرط ایمنی سازه به صورت زیر درمی آید .

ضریبی بزرگ تر از واحد می باشد که با اعمال بر بار خدمت L ، آن را تبدیل به بار نهایی می نماید . علاوه بر اختلاف ظاهری فوق ، دو اختلاف عمده دیگر بین روش طرح پلاستیک و روش تنش های مجاز وجود دارد . اختلاف اول درتعیین مقاومت S است . درروش طرح پلاستیک ‏، از مقاومت نهایی درحالت پلاستیک استفاده می گردد. اختلاف دوم این است که درروش تحلیل پلاستیک برای تحلیل سازه به جای تحلیل الاستیک ، از تحلیل حدی یا تحلیل پلاستیک که درآن مکانیزم های محتمل خرابی تعیین می گردند ، استفاده می شوند .
پ : روش حالات حدی
عیب عمده روش پلاستیک دراین است که طراح می باید برای تحلیل سازه از تحلیل حدی (تحلیل پلاستیک ) استفاده نماید . متاسفانه درشرایط فعلی ، انجام تحلیل حدی برای تمامی سازه ها مقدور نبوده و فقط سازه های خاصی نظیر تیر سراسری ، قاب های تک دهانه یک طبقه و یا قاب های چند طبقه مهاربندی شده را می توان به وسیله این روش تحلیل نمود . با توجه به این موضوع درسالهای اخیر تمایل بر این بوده است که همانند طراحی سازه های بتن مسلح ‏، آیین نامه های تدوین شده که برای تحلیل از روش تحلیل الاستیک یا حدی (به اختیار طراح) استفاده نموده ‏، و از طرف دیگر مقامت مقطع را درحالت نهایی محاسبه کند . درحال حاضر این شیوه درتعدادی از کشورها رواج پیدا نموده است . بطور خلاصه فلسفه عمومی روش حدی مشابه تحلیل پلاستیک می باشد ، با این فرق که تحلیل الاستیک رانیز درکنار تحلیل حدی مجاز می داند . درمورد ظرایب ایمنی
و ‏، روش حالت حدی فلسفه های مبتنی بر اصول آمار و احتمالات درپیش می گیرد . بدین معنی که دررابطه های پیشین، ضریب کاهش ظرفیت را درسمت چپ و ضریب بار را درسمت راست حفظ و برای بارهای مختلف (مرده ، زنده ، برف وغیره) با توجه به حدود تغییرات آماری ، ضرایب بار گوناگونی معرفی می کند . درنتیجه رابطه های پیشین دراین روش بصورت زیر درمی آید :

که دررابطه فوق ، نوع بار و ضریب بار مربوطه و ضریب کاهش مقاومت و S مقاومت نهایی عضو برحسب توزیع تنش درحالت نهایی (پلاستیک ) می باشد .

جوش
مقدمه
جوشکاری عبارت است از اتصال و یکپارچه کردن مصالح به یکدیگر به کمک حرارت با ویا بدون استفاده از فشار و یا مواد پرکننده اضافی .
برای ذوب فلز مبنا و ماده جوش حرارت به کار می رود ، تا مواد سیال شده و تداخل آنها عملی گردد.
معمول ترین روش های جوشکاری ، خصوصا برای جوش فولاد ساختمانی ، استفاده از انرژی برق ب عنوان منبع حرارتی است . بدین منظور اغلب از قوس الکتریکی استفاده می شود . قوس الکتریکی عبارت است از یک تخلیه جریان نسبتا بزرگ ، بین الکترود و فلز مبنا که ازمیان ستونی از مواد گازی یونیزه به نام پلاسما انجام می پذیرد . درجوش قوس الکتریکی ، عمل ذوب و اتصال با جریان مواد در طول قوس ، و بدون اعمال فشار صورت می گیرد .
جوشکاری با استفاده از قوس الکتریکی
جوش های قوس الکتریکی با الکترود روکشدار یکی از مهمترین ، ساده ترین و شاید کارآمدترین جوشی است که برای فولاد ساختمانی به کار می رود . درمحاورات فنی، این روش به نام جوش دستی با الکترود خوانده می شود .
حرارت با برقرار نمودن قوس الکتریکی بین یک الکترود روکشدار و اجزایی که باید متصل شوند ، ایجاد می گردد. مدار جوشکاری به شرح زیر می باشد:
(الف) مدارجوش قوسی (ب ) جوش قوس الکتریکی تحت حفاظ
درجریان جوشکاری ، با ذوب الکترود و انتقال به فلز مبنا ‏، الکترود روکشدار مصرف می شود . فلز الکترود تبدیل به ماده پرکننده شده و قسمتی از روکش به کاز حافظ و قسمت دیگر آن به گل جوشکاری تبدیل می گردد. روکش ، مخلوطی گل مانند از سیلیکات های سخت کننده و مواد گردی ، مانند فلورایدها ‏، کربنات ها ، اکسیدها ، آلیاژهای فلزی و سلولز است . این مخلوط ، پخته و فشرده شده تا روکشی سخت و خشک و متراکم را بوجود بیاورد .
روکش الکترود می تواند وظایف زیر را نیز به عهده داشته باشد :
1- با ایجاد سپر گازی ، هوا را جدا ساخته ، قوس را تثبیت کند .
2- مواد دیگری مانند احیاکننده ها را وارد فلز جوش نماید ، تا بافت ساختمانی آن را بهبود بخشد .
3- با ایجاد یک روکش از گل جوشکاری روی حوضچه مذاب و جوش سخت شده آنها را درمقابل اکسیژن و نیتروژن هوا محافظت کرده ، درضمن مانع سرد شدن سریع جوش گردد.
4- دراستاندارد های مختلف برای نشان دادن انواع الکترود از علائم گوناگون استفاده می شود ،به عنوان مثال استاندارد انجمن جوشکاری امریکا ، علامت ها را با حروف E شروع می کنند ‏، که با یک عدد چهار یا پنج رقمی دنبال می گردند . دو رقم اول سمت چپ معرف مقاومت کشش فلز الکترود بر حسب هزار پوند بر اینچ مربع می باشد . بطور مثال الکترودهای نشان داده شده بصورت E60XX دارای مقاومت کششی 60000Psi (4200 کیلوگرم برسانتی متر مربع ) درفلز جوش است . اعداد بعدی که با XX نمایش داده شده اند نمایشگر عوامل موثر دیگر مانند وضعیت جوشکاری ، منبع توصیه شده برای تامین الکتریستیه ، جنس روکش و مشخصات قوس الکتریکی می باشند . این استاندارد تا حدود زیادی درایران متداول است و دراین کتاب نیز از علائم آن استفاده گردیده است .
درجوشکاری فولادهای پرکربن و یا کم آلیاژ به روش قوس الکتریکی با الکترود روکشدار ، برای همه فولادهای ساختمانی استفاده از الکترودهای کم هیدوژنه توصیه می گردد. این الکترود مفتولی با پوشش سود یا آهک می باشد . مشخصات مکانیکی جوش های بدست آمده از جوشکاری با این الکترود کیفیتی بالاتر از انواع دیگر جوش دارد .
روش های دیگر جوشکاری با قوس الکتریکی که اغلب به صورت اتوماتیک انجام می شود ، عبارتند از جوشکاری زیرپودری ، جوشکاری تحت حفاظت گاز، و جوشکاری با فلوس مغزی که برای تشریح آنها باید به کتب تخصصی مراجعه نمود . دراین روش ها ، الکترود به صورت مفتول پیوسته عاری از روکش بوده و عمل پوشش را پودر و یاگاز انجام می دهد .

جوش پذیری فولاد های ساختمانی
اغلب فولادهای ساختمانی استاندارد را می توان بدون تدابیر خاص و استفاده از روش های معین جوش نمود . جوش پذیری فولاد ، مشخصه درجه سهولت ایجاد یک اتصال ساختمانی سالم و بدون ترک است . بعضی انواع فولاد های ساختمانی برای جوشکاری از انواع دیگر مناسب ترند . اغلب فولادهای نرمه دراین رده جای می گیرند ، درحالی که مقادیر مطلوب برای فولادهای پر مقاومت ممکن است ازحدود تحلیلی ایده آل تجاوز کند .
انواع جوش
چهار نوع از جوش ها عبارتند از : جوش شیاری ، جوش گوشه ، جوش کام و جوش انگشتانه . هر نوع جوشی مزیت هایی مخصوص به خود دارد که دامنه کاربرد آن را تعیین می نماید . نسبت تقریبی استفاده از این چهار نوع جوش درساخت اتصالات ساختمانی به این ترتیب است : جوش شیاری 15 درصد ، جوش گوشه 80 درصد ‏، و در5 درصد بقیه موارد جوش های کام و انگشتانه ، انواع دیگر جوش های مخصوص به کار می روند .
جوش های شیاری
مورد استفاده اصلی جوش شیاری متصل ساختن قطعات سازه ای است که در روی یک سطح و در امتداد هم قرار گرفته اند . از آنجا که جوش های شیاری اغلب به منظور انتقال کل نیروی قطعاتی که به وسیله این جوش متصل می شوند مورد استفاده قرار می گیرند ‏، لذا باید جوش از مقاومتی هم اندازه با مقاومت قطعات متصل شونده ‏، برخوردار باشد . چنین جوش شیاری به عنوان جوش شیاری با نفوذ کامل شناخته می شود . وقتی که درز جوش چنان طراحی شود که جوش شیاری درتمام عمق قطعات متصل شونده گسترش نیابد به چنین جوشی جوش شیاری با نفوذ نسبی اطلاق می شود . درطراحی این جوش ها الزامات خاصی را باید درنظر داشت . لبه درز جوش دراغلب جوش های شیاری باید به طرز مخصوصی آماده گردد. نام گذاری انواع جوش شیاری نیز با توجه به این امر انجام شده است . انواع معمول جوش شیاری را به نمایش گذاشته ‏ و نحوه آماده ساختن شیار جوش را درهریک مشخص می سازد . انتخاب جوش شیاری مناسب به روند جوشکاری مورد استفاده ، هزینه آماده کردن لبه درزهای جوش ، و هزینه خود جوش بستگی دارد . ازجوش شیاری همچنین می توان درساخت اتصالات سپری استفاده نمود .
جوش گوشه
جوش گوشه به خاطر اقتصادی بودن آن ، سادگی به کارگیری و قابلیت استفاده از آن دراغلب موارد جوشکاری ، ازتمام انواع دیگر جوش بیشتر به کار می رود .
دراین نوع اتصالات به خاطر رویهم گذاری قطعات احتیاج به دقت کمتری درجفت و جور کردن می باشد ، در حالی که درمورد جوش شیاری باید قطعات را به دقت دریک امتداد قرار داده و شکافی درریشه بین آنها باقی گذاشت . جوش گوشه به خصوص برای جوشکاری درمحل نصب و یا برای جفت کردن دوباره اعضا یا اتصالاتی که قبلا با رواداری های قابل قبولی ساخته شده اند ولی موقع نصب دقیقا با هم جفت و جور نمی شوند ، ازمزیت های زیادی برخوردار است .
جوش های کام و انگشتانه
جوش های کام و انگشانه را می توان به تنهایی دراتصالاتی نظیر آنچه نمایش داده شده ‏، مورد استفاده قرار داد یا درترکیب با جوش گوشه به کارگرفت . یکی از موارد استفاده از جوش کام و انگشتانه ، انتقال برش در اتصالات پوششی است که اندازه اتصال ‏، طول جوش گوشه یا دیگر انواع جوش را محدود می نماید . جوش های کام و انگشتانه همچنین برای جلوگیری از کمانش قسمت های رویهم گذاشته شده به کار می آیند .
عواملی که درکیفیت اتصالات جوشی موثرند
دستیابی به یک اتصال جوشی رضایت بخش ، احتیاج به کار گروهی و ترکیب چندین تخصص مختلف دارد ، که از طراحی اتصال و انتخاب نحوه جوشکاری شروع شده ، و با انجام عملیات جوشکاری پایان می یابد . مهندس طراح سازه باید از عوامل موثر درکیفیت جوشکاری مطلع بوده ، آنها را درطرح اتصالات خود به کار گیرد .
الکترود مناسب ، وسایل جوشکاری و روش های کار
بعد از آنکه الکترود سازگار با مقاومت قطعات فولادی که قصد اتصال آنها به هم را داریم، انتخاب شده ، قطر الکترود جوشکاری باید انتخاب گردد. قطر الکترود مورد استفاده بر اساس اندازه جوش مورد نظر و جریان الکتریکی خروجی از دستگاه جوشکاری ، انتخاب می شود . ازآنجا که اغلب دستگاه های جوشکاری تنظیم کننده هایی برای کم کردن جریان خروجی دارند ‏، به جای الکترودهای با قطر زیاد می توان از الکترودهای کوچکتر استفاده نمود .
چون درجوش قوس الکتریکی فلز جوش به وسیله میدان الکترومغناطیسی و نه به واسطه وزن خود در درزجوش جا می گیرد ، پس دامنه کار جوشکاری به موقعیت های افقی یا تخت محدود نمی گردد. طراح تا آنجا که ممکن است باید از حالت جوش سقفی اجتناب کند ، چه این وضعیت ازتمام حالات دیگر جوشکاری مشکل تر است . جوش هایی که درکارخانه و برروی زمین اجرا می شوند اغلب در وضعیت تخت یا افقی انجام می گیرند ‏، ولی جوش های درمحل نصب بسته به شکل اتصال ممکن است در هر وضعیتی اجرا شوند . وضعیت جوشکاری درکارگاه باید به وسیله طراح به دقت مورد مطالعه قرار گیرد
تخلخل
تخلخل درصورت ایجاد حفره های خالی یا محبوس شدن گازها درفلز جوش هنگام سرد شدن آن اتفاق می افتد . این عیب درصورت استفاده از شدت جریان های خیلی زیاد یا طول قوس خیلی بلند پیدا می شود .تخلخل ممکن است بطور یکنواخت درطول جوش پراکنده گردد یا ممکن است به صورت یک حفره بزرگ درریشه جوش گوشه یا ریشه جوش شیاری درمجاورت تسمه پشت بند متمرکز گردد. حالت اخیر به دلیل روش جوشکاری نامناسب و استفاده غیر صحیح از تسمه های پشت بند اتفاق می افتد .
گودافتادگی کناره جوش
گودافتادگی به معنای شیار ذوب شده ای درفلز مبنا می باشد که درانتخای ساق جوش قرار گرفته و به وسیله فلز جوش پر نشده است . استفاده از جریان قوی یا طول قوس زیاد ممکن است فلز مبنا را بسوزاند یا قسمتی از آن را ازجای خود جداکرده شیاری به جای گذارد . این عیب براحتی با چشم قابل تشخیص است و می توان آن را با به جا گذاشتن مقدار بیشتری از فلز جوش برطرف نمود .
تداخل گل جوشکاری
گل جوش درحین عملیات جوشکاری درنتیجه عکس العمل شیمیایی حاصل از ذوب روکش الکترود تشکیل می گردد و مخلوطی از اکسید فلزات و ترکیبات دیگر می باشد . به دلیل وزن مخصوص کمتر، اغلب به سطح حوضچه مذاب می آید و وقتی که جوش سرد شد به راحتی توسط جوشکار کنده می شود . سرد شدن سریع جوش ممکن است گل جوش را قبل از رسیدن به سطح به دام بیندازد . جوش های سقفی بیشتر درمعرض تداخل گل جوش قرار دارند و باید به دقت بازرسی شوند . وقتی که برای تامین اندازه جوشی مشخص احتیاج به چند بار عبور الکترود می باشد باید بین هر دو عبور ، جوشکاری گل جوش مرحله قبل را از جا بکند . عدم موفقیت درانجام صحیح این عمل یکی از دلایل عمده تداخل گل جوشکاری است .
ترک ها
ترک ها شکستگی های فلز جوش می باشند که دراثر تنش های داخلی درامتداد یا عمود بر خط جوش به وجود می آیند .ترک ها همچنین ممکن است از فلز جوش به فلز مبنا امتداد پیدا کنند و یا کاملا در فلز مبنا د رمحاذات خط جوش باشند . ترک ها شاید زیان بارترین معایب جوش باشند ، هرچند ترک های ریز که به میکروفیسور معروفند ممکن است هیچ اثر تعیین کننده ای نداشته باشند .
بعضی ترک ها با شروع سخت شدن جو ش شکل می گیرند . این ترک ها دراثر شکستگی مواد تشکیل دهنده فلز که آهن ترد یا آلیاژهای خارجی می باشند اول بار دراطراف بلورها تشکیل می گردد. گرمایش یکنواخت و سرد شدن آرام تر ، از ایجاد ترک های داغ جلوگیری به عمل می آورد .
همچنین ممکن این در درجه حرارت عادی محیط سربسته ترک هایی به موازات جوش و درزیر آن درفلز مبنا بوجود آید . این ترک ها درفولاد با آلیاژ کم تحت اثر مشترک هیدروژن و جلوگیری از انقباض و تاب خوردگی ایجاد می شود . استفاده از الکترودهای کم هیدروزن همراه با پیش گرمایش و پس گرمایش مناسب ، از ایجاد این ترک های "سرد" پیشگیری می کند .
بازرسی و کنترل
موفقیت شایان و گسترش جوشکاری ساختمان ها و پل ها درسال های اخیر، بدون وجود وسایلی برای کنترل و بازرسی امکان وقوع نمی یافت . صنعت جوشکاری به سرمشق هایی منتهی گردیده که درصورت رعایت آنها ، دستیابی به جوشی سالم تضمین می گردد. عملیات بازرسی و کنترل قبل از برقراری اولین قوس شروع می گردد، درحین جوشکاری ادامه می یابد و درصور نیاز یک آزمون اولیه از اتصال به عمل می آید که عملکرد رضایت بخش آن را تضیمن نماید . از آنجا که چنین نظارت دقیقی بر اجرای تمام جوش ها امکان پذیر نیست ، توصیه های زیر را می توان به عنوان خطوط کلی برای دستیابی به یک جوش خوب ساختمانی به کاربرد :
1)ازروش های جوشکاری صحیح استفاده نمایید .
2)تنها از جوشکارانی که صلاحیت آنها به تصویب رسیده استفاده کنید .
3)ازناظران با صلاحیت که بر سرکارحضور دارند استفاده کنید .
4)ازروش های خاص بازرسی و کنترل درمواقع متقضی استفاده نمایید .
تمام جوشکارانی که جوش اتصالات ساختمانی به عهده آنها واگذار می شود باید قبلا امتحان رده بندی وزارت کار و امور اجتماعی را گذرانده باشند .اگر چه این ممکن است کافی به نظر برسد ، ولی ثابت نمی کند که جوشکار قادر است درکارگاه واقعی نیز از عهده جوشکاری برآید ، به خصوص اگر جوش ها غیر عادی و مشکل بوده ، و درامتحان رده بندی خواسته نشده باشند . در این موقعیت ها پیمانکاران معومولا روی جوشکاران خود کنترل های لازم را به عمل می آورند .
استفاده از بازرسان جوش کارآمد درکارگاه درکارگاه ، عموما باعث می شود که جوشکاران بهترین کار خود را ارائه نمانید ، چه احساس می کنند که بازرس می تواند کیفیت جوش انجام شده توسط آنها را ارزیابی کند . بازرس جوش ، خود باید جوشکاری کارآزموده و قادر به یافتن معایب احتمالی باشد . هر جوش ضعیف یا مشکوک باید برداشته شده و جانشین گردد.
سطح موثر جوش
تنش های مجازی که برای انواع مختلف جوش معرفی می گردد، تنش های اسمی هستند که بروی سطح موثر عمل می کنند . سطح موثر جوش شیاری یا گوشه حاصل ضرب اندازه گلوی موثر درطول جوش می باشد .
اندازه گلوی موثر بستگی به اندازه رسمی و شکل جوش دارد ، و می توان تصور نمود که حداقل عرض سطح شکست مورد انتظار می باشد .

اتصالات
انواع اسکلت فولادی
آیین نامه چهار نوع طراحی و فرضیات طراحی برای اتصالات تیره به ستون درساختمان های فولادی رااجازه می دهد . چهار نوع اتصال تیر به ستون به صورت زیر طبقه بندی می شوند .
جدول : طبقه بندی اتصالات
ردیف
نوع
گروه
صلبیت R
1
قاب خمشی با اتصالات صلب
گروه 1
بیشتر از 90درصد
2
قاب ساده
گروه 2
بیشتر از 20 درصد
3
قاب خمشی با اتصالات نیمه صلب
گروه 3
بیشتر از 20 و 90 درصد

درجداول بالا درجه صلبیت R نسبت لنگر انتهایی حقیقی به لنگر گیرداری انتهایی درحالت کاملا گیردار می باشد .
مقایسه این سه نوع اتصال دراین بخش و جزئیات هریک بطور جداگانه درفصول بعدی خواهد آمد .
اتصال ساده
ازانواع معمول اتصال ساده تیر به ستون استفاده از نبشی های جان و یا نبشی های نشیمن می باشد ، که درنوع دوم یک نبشی نیز دربال بالایی تیر قرارمی گیرند .
اتصال فقط برای انتقال نیروی برشی طرح می گردد و این طور فرض می شود که هیچگونه لنگر خمشی دراتصال ظاهر نمی گردد. اگر یک تیر ساده بارگذاری شود ، افتادگی وسط تیر باعث دوران دو انتها خواهد شد (البته این دوران بسیار کم خواهد بود ) اتصال باید طوری طرح گردد که بتوان بدون قبل شکست ، به همین اندازه دوران نماید و آنقدر شکل پذیر باشد که از بوجود آمدن هرگونه لنگر به میزان قابل توجه درانتهای تیر جلوگیری کند . به اتصالی با شرایط بالا یک اتصال ساده انعطاف پذیر می گویند .
اتصالات نیمه صلب
عیب اتصال ساده آن است که تیر باید برای لنگر حداکثری که درناحیه میانی آن تولید می شود طرح گردد(برای مثال درحالت بار یکنواخت M=WL/8) . یک اتصال کاملا صلب دردو انتهای تیر ، باعث کاهش لنگر درناحیه میانی و افزایش لنگرهای انتهایی می شود .
لنگری که در ناحیه میانی کاسته می شود ، به لنگرهای انتهایی افزوده می گردد. هرچند درجه صلبیت اتصال افزایش می یابد ‏، مقدار لنگر درناحیه میانی بیشتر کاهش پیدا می کند . دریک تیر با بارگذاری یکنواخت و گیردار در دو انتها ، لنگری به اندازه M=WL/24 دروسط و M=WL/12 دردو انتها وجود خواهد داشت . بنابراین اساس مقطع لازم دراین حالت حالتی خواهد بود که اتصالات انتهایی بصورت ساده و شکل پذیر هستند .
طرفداران اتصالات نیمه صلب اشاره می کنند که این مقدار توزیع لنگر بسیار کم می باشد و می گویند اگر یک اتصال نیمه صلب با صلبیت R=0.75 داشته باشیم ‏، باعث می شود که مقدار لنگر دروسط و دو انتها برابر و مساوی M=WL/16 گردند . دراین حالت کمترین اساس مقطع حاصل می شود ، و مقدار مورد نیاز نصف حالتی خواهد بود که اتصال دو انتها بصورت ساده است و لی این وضعیت ایده آل ‏ به دو شرط بستگی دارد :
1- تکیه گاهی که تیر بدان متصل می گردد باید کاملا صلب باشد .
2- تیر نباید تحت تاثیر دهانه مجاور که ممکن است باعث انتقال لنگری اضافی از طریق اتصال گردد‏ ، باشد .
وضعیت صلبیت R=0.75 باعث حداقل کردن اساس مقطع برای بارگذاری یکنواخت می گردد. هرگونه انحراف از این مقدار باعث دگرگون کردن اوضاع خواهد شد . مثلاً اگر صلبیت مقداری از 75/0 بیشتر شود ، مقدار لنگر انتهایی از حد مجاز بالاتر خواهد رفت و اگر صلبیت مقداری از 75/0 کمتر شود ‏، لنگر وسط از حد مجاز بالاتر خواهد رفت . به این دلیل همیشه توصیه می شود خود تیر برای صلبیت 50% طرح گردد(لنگر وسط WL/12) و اتصال برای صلبیت برای 75/0 (لنگر انتهایی WL/16) .
اتصالات صلب
برای اتصالات کاملا صلب ، لنگرهای حقیقی باید بوسیله یکی از روش های مختلف تحلیل سازه به دست آیند و تیرها و اتصالات آن ، برای لنگرها وبرش های مربوطه طراحی گردند . اتصالات باید صلبیت کافی داشته باشند که بتوانند درعمل زاویه اصلی بین ستون و تیر را ثابت نگه دارند .
صلبیت یک اتصال ‏، تحت تاثیر صلبیت تکیه گاه های آن قراردارد . برای تیرهایی که بروی بال ستون سوار می شوند ، نازک یا لاغربودن ورق بال ستون باعث کاهش صلبیت اتصال خواهد گشت . برای رفع این اشکال می توان بین بالهای ستون ، درمقابل بال های تیر، از سخت کننده استفاده نمود (شرح این موضوع بعداً بطور کامل می آید ).
اگر تیر مستقیماً یا به وسیله صفحات اتصال به جان ستون متصل شود ، دراین صورت هیچ گونه کاشی درصلبیت وجود نخواهد داشت .

فهرست مطالب

تاریخچه سازه های فولادی 40
ساختمان های فولادی 41
سازه های قاب بندی شده 41
سازه های پوسته ای 42
سازه های معلق 42
نیمرخ های ساختمانی 43
نیمرخ های مناسب برای اعضای ساختمانی 44
اعضای کششی 44
اعضای فشاری (ستون ها ) 44
اعضای خمشی 45
تیر – ستون ها 46
روش های طراحی 47
الف : روش تنش های مجاز 48
ب : روش طرح پلاستیک 48
پ : روش حالات حدی 49
جوش 51
جوشکاری با استفاده از قوس الکتریکی 51
جوش پذیری فولاد های ساختمانی 54
انواع جوش 54
جوش های شیاری 54
جوش گوشه 55
جوش های کام و انگشتانه 56
عواملی که درکیفیت اتصالات جوشی موثرند 56
الکترود مناسب ، وسایل جوشکاری و روش های کار 56
تخلخل 57
گودافتادگی کناره جوش 58
تداخل گل جوشکاری 58
ترک ها 59
بازرسی و کنترل 59
سطح موثر جوش 61
اتصالات 62
انواع اسکلت فولادی 62
اتصال ساده 62
اتصالات نیمه صلب 63
اتصالات صلب 64

1