اتصالات جوشی در سازه های فولادی
بخش 1 :
مقدمه و تعاریف
مقدمه و تعاریف
برای ساخت اعضا و اتصال آنها به یکدیگر از پرچ، پیچ و جوش استفاده می شود. در ایران استفاده از جوش در ساختمان های متعارف رایج تر از پیچ و پرچ است.
عامل اساسی بروز مشکلات در اجرای اتصالات در سازه های فولادی، عدم رعایت اصول اساسی هنگام اجراست.
سازه های فولادی مجموعه ای از اعضای باربر ساخته شده از ورق یا نیمرخ های فولادی هستند که به کمک اتصالات، اسکلت ساختمان را به وجود می آورند.
جوش عبارت است از ایجاد پیوستگی مولکولی بین دو یا چند قطعه فلزی که حداقل یکی از آنها بطور موضعی تحت اثر حرارت به حالت خمیری یا مذاب در می آید. این عمل ممکن است بدون فشار یا تحت فشار انجام پذیرد.
انواع جوش در کارهای ساختمانی
جوش گوشه
(نواری)
جوش شیاری (لب به لب) با نفوذ کامل
جوش شیاری با نفوذ نسبی
جوش انگشتانه
جوش کام
(توپر)
در اتصالات ساختمانی در حدود 15 درصد از جوش شیاری، 80 درصد از جوش گوشه و 5 درصد از انواع دیگر جوش ها استفاده می شود.
نوع اتصال جوشی در حقیقت چگونگی قرارگیری ورق ها (سطوح دو قطعه)نسبت به یکدیگر می باشد.
انواع اتصالات جوشی
نوع اتصال جوشی به عواملی از قبیل اندازه و شکل اعضایی که به هم متصل می شوند، نوع بار گذاری، سطحی از درز که برای جوشکاری قابل استفاده است و هزینه مقایسه ای انواع مختلف جوش بستگی دارد.
جزئیات جوش شیاری
حداقل مقاومت جوش شیاری با نفوذ کامل، برابر با مقاومت نازکترین ورق متصل شونده در اتصال است. در شکل زیر انواع جوش شیاری نشان داده شده است.
نوع درز در حقیقت آرایش و نحوه آماده سازی ورق ها در محل رسیدن به یکدیگر می باشد. در این نوع جوش قبل از انجام عملیات جوشکاری، لبه های درز جوش باید مطابق یکی از حالت های زیر آماده گردند.
انواع درز
جزئیات جوش شیاری
سطح مقطع موثر، Ae، در جوش های شیاری عبارتست از حاصل ضرب طول موثر جوش، Le، در ضخامت موثر جوش، te. طول موثر جوش برابر با طول جوش شده (شکل 1) و ضخامت موثر جوش شیاری با نفوذ کامل، برابر با ضخامت قطعه نازکتر در اتصال لب به لب و ضخامت قطعه جوش شده در اتصال کنج و سپری در نظر گرفته می شود (شکل 2). ضخامت موثر در جوش شیاری با نفوذ نسبی برابر با عمق شیار جوش منهای 3 میلی متر در نظر گرفته می شود (شکل 3)
جزئیات جوش شیاری
ضابطه 2-3-1-3 نشریه 228 سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور در ارتباط با ضخامت گلوگاه موثر برای جوش های شیاری با نفوذ نسبی به شرح شکل زیر می باشد:
استفاده از جوش شیاری با نفوذ نسبی در وضعیتی که بارگذاری متناوب (اثر خستگی) وجود داشته باشد، مجاز نیست.
جزئیات جوش شیاری
ضخامت موثر جوش شیاری که بین دو لبه گرد (مثل شیار بین دو میلگرد) و یا بین یک لبه گرد و لبه تخت (مثل میلگرد در مجاورت ورق) اجرا می شود مطابق شکل زیر است:
محدودیت ها:
ضخامت موثر در جوش شیاری با نفوذ نسبی نباید از مقادیر مندرج در جدول زیر کمتر شود. حداقل ضخامت موثر با توجه به ضخامت قطعه نازک تر تعیین می شود، از طرفی ضخامت جوش نباید از ضخامت نازک ترین قطعه متصل شونده تجاوز کند.
در صورتی که امکان تامین ضخامت های حداقل جدول زیر وجود نداشته باشد، باید از پیش گرمایش و یا فرآیند های کم هیدروژن استفاده نمود.
برای قطعات با ضخامت بزرگتر از 40 میلی متر، پیش گرمایش و دستور العمل جوشکاری باید با مطالعه خاص مورد بررسی قرار گیرد.
جوشی است که در فصل مشترک دو سطح که با هم زاویه می سازند، اجرا می شود. جوش گوشه در امتداد یک خط بطور پیوسته یا منقطع و یا در محیط سوراخ یا شکاف قابل اجراست. سطح مقطع موثر در جوش های گوشه برابر با حاصلضرب طول موثر در ضخامت گلوگاه موثر در نظر گرفته می شود.
جزئیات جوش گوشه
طول موثر جوش گوشه (بجز جوش هایی که در سوراخ و شکاف قرار می گیرد) برابر با طول کلی نوار جوش شامل قسمت های برگشت خورده می باشد و برای جوش های گوشه در سوراخ و شکاف، طول موثر برابر با طول محوری (میانتاری) که از مقطع گلوگاه جوش می گذرد، در نظر گرفته می شود. از جوش گوشه در سوراخ ها و شکاف ها به منظور انتقال برش، جلوگیری از کمانش و یا جلوگیری از جدا شدن قطعات رویهم استفاده می شود.
بعد جوش گوشه (a) اندازه ساق مقطع جوش می باشد. ضخامت گلوگاه موثر (te)در جوش گوشه برابر کوتاهترین فاصله بین ریشه مقطع جوش تا سطح خارجی آن و به عبارت دیگر برابر ارتفاع وارد بر وتر مثلث مقطع جوش به حساب می آید.
حداقل بعد جوش های گوشه نباید از بعد مورد نیاز برای انتقال بارهای محاسبه شده و اندازه های نشان داده شده در جدول 10-2-9-2 کوچکتر انتخاب شود.
محدودیت ها
حداقل بعد جوش تابع ضخامت قطعه نازکتر می باشد و از طرفی نباید بعد جوش از ضخامت نازکترین قطعه متصل شونده تجاوز نماید.
در صورتی که نتوان ضخامت های فوق را با یکبار عبور تامین نمود، باید از پیش گرمایش و یا فرآیند های کم هیدروژن استفاده کرد.
در سازه تحت بار دینامیکی حداقل اندازه جوش 5 میلی متر می باشد.
حداقل بعد جوش گوشه بدلیل جلو گیری از ایجاد ترک ناشی از سرد شدن سریع و نفوذ اتم های هیدروژن در جوش است.
محدودیت ها
حداکثر بعد جوش های گوشه در لبه قطعات متصل شونده برای قطعات با ضخامت مساوی یا کمتر از 6 میلی متر برابر ضخامت قطعه منهای 2 میلی متر و برای قطعات با ضخامت بیش از 6 میلی متر برابر ضخامت قطعه می باشد.
طول موثر جوش های گوشه ای که برای تحمل تنش ها محاسبه شده اند نباید از 4 برابر بعد جوش کمتر باشد. به عبارت دیگر، بعد جوش نباید از ¼ طول آن تجاوز نماید.
در اتصال های انتهای تسمه های کششی اگر از جوش گوشه فقط در لبه های طولی و موازی امتداد نیرو استفاده شود، طول جوش هر طرف نباید از فاصله ی عمودی بین آنها (تقریبا پهنای تسمه)کمتر باشد و این فاصله نباید از 200 میلی متر تجاوز کند.
محدودیت ها
در اتصالات پوششی (رویهم) دو قطعه، طول همپوشانی نباید از 5 برابر ضخامت قطعه نازکتر کمتر باشد و در هیچ حالتی از 25 میلی متر کمتر نشود.
در اتصالات پوششی که ورق و تسمه های تحت اثر تنش های محوری را به یکدیگر متصل می کند، باید ضلع انتهایی هر یک از قسمت های متصل شونده، توسط جوش گوشه اتصال یابند (جوش دو طرفه).
در وضعیتی که اتصال به اندازه کافی مقید شده باشد یا تغییر شکل خمشی آنقدر محدود باشد که از باز شدن اتصال تحت اثر بار حداکثر جلوگیری شود، می توان از جوش یکطرفه استفاده کرد.
محدودیت ها
در اتصالات پوششی (رویهم) که یکی از قطعه های اصلی تا پشت لبه ی قطعه اتصالی دیگر که تحت اثر تنش کششی قرار دارد امتداد یافته باشد، جوش گوشه باید در فاصله ای بیشتر یا مساوی با بعد جوش تمام شود.
کلیه جوش های گوشه که در لبه کناری یا ضلع انتهایی عضو انجام می شود، باید در انتهای ضلع و بر روی ضلع دیگر برگشت داده شود که به آن قلاب می گویند. حداقل طول قلاب 2 برابر بعد جوش می باشد. این شرط شامل جوش های گوشه قائم و جوش های گوشه سربالا در تکیه های لچکی (براکت) و برای نبشی های نشیمن تیر و اتصالات نظیر می باشد.
محدودیت ها
در اتصالات مفصلی با نبشی های جان، که انعطاف پذیری اتصال به مقدار زیادی تابع انعطاف پذیری بال برجسته نبشی ها می باشد، برگشت در انتهای جوش گوشه نباید از 4 برابر بعد جوش و نیز نصف پهنای بال نبشی بیشتر باشد. برگشت انتها در جوش گوشه باید در نقشه ها و جزئیات اجرایی قید شود.
محدودیت ها
جوش های گوشه ای که در دو وجه مخالف یک صفحه ی مشترک ایجاد می شود، باید در گوشه مشترک بین دو نوار جوش قطع شوند.
محدودیت ها
در اتصالات پوششی (رویهم) برای جولوگیری از زخم در لبه، انتخاب محل شروع و پایان مسیر جوشکاری باید مورد توجه قرار گیرد.
سطح مقطع موثر در برش برای جوش انگشتانه و کام مساوی سطح مقطع اسمی سوراخ و شکاف در صفحه برش در نظر گرفته می شود.
جزئیات جوش انگشتانه و کام
استفاده از جوش انگشتانه و کام برای انتقال برش در اتصال های پوششی و یا جلوگیری از کمانش در عناصر رویهم آمده در اعضای ساخته شده، مجاز می باشد.
محدودیت ها
قطر سوراخ در جوش انگشتانه نباید از ضخامت قطعه سوراخ شده به اضافه 8 میلی متر کمتر باشد. همچنین قطر یاد شده نباید از قطر حداقل به اضافه 3 میلی متر و یا ¼ 2 برابر ضخامت جوش بزرگتر شود.
حداقل فاصله مرکز به مرکز سوراخ های جوش انگشتانه 4 برابر سوراخ می باشد.
طول شکاف در جوش کام نباید از 10 برابر ضخامت جوش بیشتر باشد.
پهنای شکاف در جوش کام نباید از ضخامت قطعه بریده شده به اضافه 8 میلی متر کمتر و همچنین از ¼ 2 برابر ضخامت جوش بیشتر باشد.
حداقل فاصله مرکز به مرکز شکاف ها در امتداد عمود بر طول، 4 برابر پهنای شکاف و حداقل فاصله مرکز به مرکز شکاف ها در امتداد طول، 2 برابر طول شکاف می باشد.
ضخامت جوش انگشتانه و کام در قطعاتی که ضخامت آنها 16 میلی متر و یا کمتر است، باید برابر با ضخامت قطعه باشد. در قطعاتی که ضخامت آنها بیش از 16 میلی متر است، ضخامت این جوش باید حداقل 1/3 ضخامت قطعه باشد و از 16 میلی متر نیز کمتر نشود.
تنش های مجاز جوش ها
حاصل ضرب ضخامت گلوگاه موثر جوش، te، در تنش مجاز جوش، Fe، ارزش جوش نامیده و با Rw نمایش داده می شود.
ارزش جوش گوشه
Rw: ارزش جوش (kg/cm)
Fe: تنش مجاز جوش (kg/cm^2)
te: ضخامت گلوگاه موثر (cm)
: ضریب کنترل کیفیت
در حقیقت Rw نیروی مجاز جوش با ضخامت گلوگاه موثر، te، و طول یک سانتی متر می باشد.
کشش، فشار و برش ساده
برای بارگذاری ساده کششی، فشاری و یا برشی، نیروی وارد بر اتصال بر طول جوش تقسیم می شود تا نیروی وارد بر واحد طول جوش بدست آید. با تقسیم این نیرو بر تنش مجاز جوش، اندازه گلوی موثر (و یا اندازه ساق جوش) بدست می آید.
تنش های محاسباتی (اسمی) در جوش گوشه
برای تعیین اندازه جوش در اتصالاتی که در آنها خط جوش تحت تاثیر برش، پیچش، خمش و یا ترکیبی از آنها قرار دارد، خط جوش همانند مقطعی با ضخامت واحد در نظر گرفته می شود.
بارگذاری خمشی یا پیچشی
مشخصات هندسی مقطع فرضی با ضخامت واحد برای چندین حالت در جدول زیر لرلئه شده است.
بارگذاری خمشی یا پیچشی
بعد از تعیین مشخصات هندسی، با استفاده از روابط معمول مقاومت مصالح، نیروی وارد بر واحد طول جوش از تقسیم نیرو بر مشخصه هندسی مناسب تعیین می گردد.
بارگذاری خمشی یا پیچشی
بعد از تعیین نیروهای وارد بر واحد طول جوش به علت نیروهای مختلف، باید به نحو مناسبی آنها را با هم ترکیب نمود. در صورتی که نیروهای فوق هم امتداد باشند، می توان آنها را با هم جمع جبری نمود. در صورتی که نیروهای وارد بر واحد طول جوش با هم متعامد باشند، باید برآیند آنها را بصورت برداری تعیین کرد.
تعیین اندازه جوش
از تقسیم fr بر تنش مجاز جوش، اندازه گلوی جوش تعیین می گردد.
بخش 2 :
طبقه بندی اتصالات تیر به ستون
بر اساس مبحث 10 انواع سازه های ساختمانی به صورت زیر توصیف می شوند:
انواع اتصال تیر به ستون
استفاده از قاب های گروه (1) در همه حالت ها مجاز است.
انواع اتصال
استفاده از قاب های گروه (2) در صورتی مجاز است که:
دستگاه مقاوم در مقابل بار های جانبی حاصل از باد یا زلزله برای ساختمان تعبیه شود.
ظرفیت تیرها و شاهتیرها برای تحمل بار قائم با فرض تکیه گاه ساده کافی باشد
اتصالات تیر به ستون ظرفیت کافی در دوران غیر ارتجاعی داشته باشد تا تنش های تولید شده در وسایل اتصال تحت اثر حالت های مختلف بارگذاری در حد مجاز بماند.
استفاده از قاب های گروه (3) در حالتی مجاز است که محاسبه ای مستدل نشان دهد که اتصالات نیمه صلب مفروض (به تنهایی و یا در ترکیب با دستگاه های مهاربند و یا دیوار برشی) قادر است اثر مشترک بارهای قائم و جانبی را در حد تنش های مجاز تحمل نماید.
با توجه به تقسیم بندی فوق سه نوع اتصال ساده، صلب و نیمه صلب قابل طراحی می باشد.
بر حسب درجه ی صلبیت، اتصالات تیر به ستون به سه رده زیر تقسیم می شوند:
طبقه بندی اتصالات فولادی
درجه صلبیت R، نسبت لنگر انتهایی قابل تامین توسط اتصال به لنگر گیرداری انتهایی در حالت کاملا گیردار است. درجه صلبیت با رسم نمودار لنگر-چرخش (M-) برای اتصال و رسم خط تیر بر روی آن بدست می آید.
مشخصه هر اتصال نمودار لنگر-چرخش (M-) است. نمودار لنگر- چرخش در دستگاهی رسم می شود که محور قائم آن نشان دهنده لنگر انتهایی و محور افقی آن نشان دهنده تغییر زاویه بین تیر و ستون در اتصال می باشد.
نمودار لنگر-چرخش (M-) برای اتصال
رابطه ای که لنگر انتهایی Me و دوران انتهایی e را برای یک تیر تحت بار گسترده یکنواخت از گیرداری کامل تا انتهای ساده به یکدیگر مرتبط می کند، به صورت زیر می باشد:
خط تیر
رابطه بالا نشان دهنده یک خط مستقیم می باشد که دو نقطه a و b در روی نمودار لنگر-چرخش، ابتدا و انتهای آن می باشند.
نقطه a نشان دهنده گیرداری کامل است (e=0) که در این حالت لنگر انتهایی همان لنگر گیرداری انتهایی خواهد بود.
نقطه b نشان دهنده ی یک اتصال انتهایی ساده است که در آن لنگر انتهایی برابر صفر می باشد. وضعیت تیر در این حالت برابر وضعیت تیر ساده با دوران انتهایی زیر خواهد بود:
خطی که دو نقطه a و b را بهم متصل می کند خط تیر نامیده می شود.
اگر بار روی تیر افزایش یابد خط تیر موازی با خط اولیه به طرف خارج حرکت می کند.
نقطه ای که در آن نمودار اتصال (M-) خط تیر را قطع می کند نشان دهنده لنگر و دوران انتهایی در اثر بارگذاری موجود خواهد بود.
برای بیان رفتار لرزه ای اتصالات، باید آنهارا تحت بارهای چرخه ای مطالعه نمود. شکل زیر نمونه ای از منحنی های چرخه ای اتصالات را نشان می دهد. برای رسم این منحنی ها، اتصالات تحت چند بارگذاری رفت و برگشتی قرار گرفته و نمودار لنگر در مقابل دوران نسبی اتصالات رسم می گردد.
رفتار لرزه ای اتصالات
نمودارهای چرخه ا ی در ابتدای بارگذاری که دامنه تغیرات کوچک است مبین رفتار صلب و در انتهای بارگذاری به علت تسلیم موضعی یا شکست چند نقطه از اتصال، مبین رفتار انعطاف پذیر است و شیب نمودار آنها کاسته می شود.
اتصالی که بتواند در رفتار چرخه ای، صلبیت اولیه خود را در چند رفت و برگشت قوی حفظ نماید، به عنوان اتصال کارامد شناخته می شود.
رفتار لرزه ای اتصالات
رفتار لرزه ای اتصالات
بخش 3:
اتصالات ساده
برخی از مهمترین اتصالات ساده بترتیب عبارت اند از:
اتصالات ساده با نبشی نشیمن از جزییات متداول برای اتصال ساده ی تیر به ستون تکیه گاهی می باشند. در این نوع اتصالات تیر بر روی یک نشیمن که می تواند تقویت نشده ( انعطاف پذیر )یا تقویت شده باشد، قرار می گیرد.
اتصال ساده با نبشی انعطاف پذیر
1- نشیمن تقویت نشده یا انعطاف پذیر (نبشی نشیمن)
2- نشیمن تقویت شده
انواع نشیمن در طراحی اتصال ساده
از اتصال با نشیمن تقویت شده هنگامی استفاده می شود که ابعاد نشیمن انعطاف پذیر (نبشی) بیش از حد معمول بزرگ باشد ( این مشکل در بارهای بیش از 10 تن رخ می دهد)
در این اتصال همیشه یک نبشی در بالای تیر قرار می گیردکه وظیفه این نبشی ثابت نمودن و ایجاد پایداری تیر در محل مورد نظر می باشد.
جزئیات اتصال ساده با نبشی انعطاف پذیر
مطابق شکل این اتصال متشکل از یک نبشی نشیمن می باشد که به کمک جوش یا پیچ به ستون متصل است.
برای جلوگیری از چپ شدن تیر، لازم است حداقل یک نبشی در بال فوقانی و یا جان تیر، برای اتصال به ستون در نظر گرفته شود.
این نبشی باید انعطاف پذیر باشد تا از چرخش تکیه گاهی جلوگیری ننماید. تیر باید یه کمک پیچ و یا جوش به نبشی نشیمن متصل گردد.
مقطع بحرانی برای خمش بال فوقانی نبشی نشیمن
مطابق شکل مقطع بحرانی برای تعیین ضخامت نبشی نشیمن، آغاز گردی گوشه نبشی در بال افقی در نظر گرفته ی شود. این مقطع حدوداً به فاصله 10 میلی متری از وجه نبشی منظور می گردد.
محل تاثیر واکنش تکیه گاهی
لنگر خمشی در مقطع بحرانی نبشی و محل اتصال به بال ستون، از ضرب واکنش تکیه گاهی در برون محوری های e و ef بدست می آید. واکنش تکیه گاهی در مرکز هندسی توزیع تنش تماسی مطابق شکل در نظر گرفته می شود.
روش طراحی نشیمن تقویت نشده
عرض نشیمن بر مبنای طول لازم برای جلوگیری از تسلیم موضعی بین جان و بال تعیین می گردد:
تعیین عرض نشیمن بر مبنای تسلیم موضعی جان
در این روابط، N طول تماس افقی، R عکس العمل تکیه گاهی، tw ضخامت جان تیر، K فاصله بین سطح بال تیر تا پایان گردی ریشه اتصال بال به جان تیر می باشد.
پس از تعیین N، عرض نشیمن از رابطه زیر تعیین می گردد:
فاصله آزاد مونتاژ 20 میلی متر منظور می گردد و حداقل عرض نبشی نشیمن 100 میلی متر توصیه می شود.
حداکثر بار محوری که جان تیر می تواند تحمل کند و لهیدگی جان تیر رخ ندهد، از رابطه زیر محاسبه می شود:
کنترل لهیدگی جان تیر ناشی از عکس العمل تکیه گاه
در این رابطه R نیروی متمرکز موجود، tw ضخامت جان تیر، d ارتفاع کلی تیر، N طول تماس بار متمرکز، tf ضخامت بال تیر، Fyw تنش جاری شدن تیر می باشد.
در صورتی که این رابطه برقرار نباشد، باید در محل تکیه گاه تیر از سخت کننده فشاری استفاده شود.
بازوهای لنگر e و ef بترتیب زیر بدست می آیند:
تعیین بازوهای لنگر e و ef
در تعیین بازوهای لنگر فرض شده است که سطح نشیمن، همان طول لازم برای جلوگیری از تسلیم موضعی جان می باشد.
به علت ممان ناشی از حاصل ضرب عکس العمل تیر (R) در بازوی لنگر (e) یک سطح مقطع مستطیلی از ساق افقی نبشی تحت خمش قرار می گیرد. با توجه به نحوه قرار گیری ساق افقی نبشی، خمش حول محور ضعیف اتفاق می افتد در نتیجه تنش مجاز خمشی برابر 0.75 Fy اختیار می شود. بنابراین:
تعیین ضخامت نبشی (t)
در رابطه فوق b طول نبشی نشیمن می باشد. اگر برای اتصال نبشی نشیمن به ستون از دو ستون پیچ استفاده گردد، حداقل طول b مساوی 150 میلی متر در نظر گرفته می شود. در صورتی که برای اتصال نبشی نشیمن به ستون ازجوش استفاده شود، طول b از هر طرف لبه بال تیر باید 20 میلی متر بزرگتر باشد.
⇒
⇒
الف) اتصال پیچی: اگر برای اتصال از پیچ استفاده شود، این پیچ ها تحت برش مستقیم و لنگر خمشی قرار خواهند داشت.
اتصال نبشی نشیمن به ستون
ب) اتصال جوشی: اگر برای اتصال از جوش استفاده شود، این جوش تحت برش مستقیم و خمش قرار دارد. ظرفیت جوش این اتصال به صورت زیر تعیین می شود:
ef و L بر حسب سانتیمتر و P بر حسب کیلوگرم
Rw برش مجاز واحد طول جوش بر حسب کیلوگرم بر سانتیمتر می باشد که از رابطه زیر بدست می آید:
رابطه روبرو در اسلاید بعدی اثبات می شود.
طرح جوش:
جوش اتصال نبشی به ستون بر اساس رابطه ترکیب تنش برشی و تنش های ناشی از خمش، طراحی می گردد، با توجه به مشخصات هندسی جوش مندرج در شکل زیر روال طراحی بصورت زیر می باشد:
اتصال نبشی نشیمن به ستون
انتخاب بعد جوش
کنترل مقاومت خمشی جان:
در مواردی که نبشی نشیمن از یک طرف به جان ستون متصل شود، جان در معرض خمش موضعی ناشی از خروج از مرکزیت واکنش تکیه گاهی قرار می گیرد. برای کنترل مقاومت خمشی جان ستون باید از روش خطوط گسیختگی استفاده گردد، در شکل زیر خطوط گسیختگی که به دلیل خمش موضعی در جان ستون به وجود می آید نشان داده شده است. با استفاده از این خطوط، ظرفیت اسمی جان از رابطه زیر به دست می آید:
اتصال نبشی نشیمن به ستون
mp و b عبارتند از:
باید توجه داشت که عکس العمل تکیه گاهی باید از مقدار Rw/1.67 کمتر باشد. ضریب اطمینان 1.67 با توجه به آئین نامه AISC انتخاب می گردد.
در حالت طراحی به روش مقاومت نهایی برای جلوگیری از خمش موضعی جان ستون باید از ترکیب بارگذاری زیر استفاده گردد:
برای متصل ساختن یک تیر به تیر دیگر و یا یک تیر به ستون از این اتصال استفاده می گردد. نمونه این اتصال در شکل زیر نمایش داده شده است. علت استفاده از نبشی و نحوه خاص جوشکاری آن به تیر و ستون، ایجاد انعطاف پذیری و آماده سازی شرایط دوران در انتهای تیر می باشد. در این نوع اتصال جوش نبشی اتصال به جان تیر را جوش A و جوش نبشی اتصال به تکیه گاه را جوش B می نامند.
اتصال با نبشی جان
اتصال ساده برشی به کمک نبشی های جان بر حسب اینکه اتصال از نوع پیچی یا جوشی باشد، مطابق شکل زیر می باشد:
اتصال با نبشی جان
وقتی اتصال دو تیر به نحوی انجام می گیرد که بال های فوقانی هر دو در یک تراز واقع می گردد، باید قسمتی از بال تیری را که مقصود ایجاد اتصال ساده برای آن است جدا کرده و اتصال را همانند شکل زیر برقرار ساخت.
برش قالبی
مقطع تیر فقط مقداری از بال خود را از دست می دهد که سهم آن در باربری برشی کم است. بنابراین همتراز کردن تیرها فقط مقدار کوچکی از مقاومت برشی اولیه می کاهد. تحقیقات اخیر نشان داده است که خرابی تیرها تراز شده تحت بارهای سنگین، در صورتی که اتصال جان به نبشی به وسیله پیچ های پر مقاومت برقرار شده باشد، ممکن است در نتیجه پارگی جان تیر در امتداد سوراخ پیچ ها صورت پذیرد.
گسیختگی قالبی ترکیبی از گسیختگی برشی در امتداد موازی نیرو و گسیختگی کششی در امتداد نیرو می باشد. مقاوت کششی در گسیختگی برشی از رابطه زیر محاسبه می شود:
تحت تاثیر بار وارده P با برون محوری e، بال چسبیده به تکیه گاه نبشی همانند شکل زیر به خمش می افتد. تنش ناشی از این خمش برابر است با:
تنش خمشی ایجاد شده در بال نبشی جان
مرحله 1: انتخاب طول نبشی (l)
طول نبشی باید به صورتی انتخاب گردد که امکان جوشکاری با زاویه مناسب برای الکترود وجود داشته باشد (شکل زیر). برای این منظور انتخاب طول نبشی l، بین d-b تا d-b/2 مناسب است. لازم به ذکر است کفایت این طول باید ضمن محاسبه جوش ها تایید شود.
اتصال تیر به ستون با نبشی جان
مرحله 2: تعیین حداقل بعد جوش (Dmin)
بر اساس ضخامت قطعه مبنا، حداقل بعد جوش گوشه، Dmin، تعیین می گردد.
مرحله 3: انتخاب بعد نبشی (a)
در این مرحله هدف انتخاب بعد نبشی، a، می باشد. با کنترل تنش ها در جوش اتصال نبشی به ستون، حدود مناسب بعد نبشی تعیین شده سپس با توجه به جدول اشتال نزدیکترین نبشی موجود انتخاب می گردد. در اثر عکس العمل های انتهای تیر، R، در نبشی ها چرخش ایجاد می گردد، یعنی در ناحیه بالا به یکدیگر فشار آورده و در پایین از یکدیگر دور می شوند. چنانچه فرض شود بعد نبشی x می باشد، هر یک از نبشی ها تحت اثر لنگر پیچشی برابر Rx/2 قرار می گیرند. با فرض اینکه نبشی ها در نقطه l/6 از طول خود شروع به چرخش کنند، باتوجه به شکل اسلاید بعدی، تنش های برشی و پیچشی محاسبه می گردد.
مرحله 3: انتخاب بعد نبشی (a)
با مساوی قرار دادن تنش کل، fr، با ارزش جوش، Rw، و جایگزینی یک بعد جوش مناسب، محدوده بعد نبشی برای جلوگیری از افزایش تنش بیش از حد مجاز در جوش بدست می آید:
اتصال تیر به ستون با نبشی جان
در محاسبه و رابطه های فوق چنانچه محل چرخش، در وسط ارتفاع نبشی فرض شود، رابطه بصورت زیر تنظیم می گردد. با توجه به رابطه های فوق، بعد نبشی، a، باید کوچکتر از x و ضخامت آن از بعد حداقل جوش، Dmin، بزرگتر باشد.
مرحله 3: انتخاب بعد نبشی (a)
این مرحله صرفا برای کاهش سعی و خطا در انتخاب نبشی است. در مواردی که استفاده از یک شماره نبشی خاص الزامی باشد، بعد جوش های اتصال بصورتی طراحی می شود تا تنش در آنها از تنش مجاز فراتر نرود.
اتصال تیر به ستون با نبشی جان
مرحله 4: کنترل مقاومت برشی نبشی
تنش برشی در ساق های نبشی از رابطه بدست می آید. این تنش باید از تنش مجاز برشی، 0.4Fy، کمتر باشد. در رابطه s ضخامت نبشی است.ژ
مرحله 5: طرح جوش B (جوش اتصال نبشی به ستون)
پس از انتخاب نبشی، جوش B طرح می گردد. این جوش باید بر اساس رابطه های ترکیب تنش برشی و پیچشی طرح گردد. برآیند تنش ها در بحرانی ترین نقطه از جوش برابر است با:
چنانچه محل چرخش در وسط فرض شود، برآیند تنش ها در بحرانی ترین نقطه عبارتست از:
تعیین بعد جوش
مرحله 6: طرح جوش A (جوش اتصال نبشی به تیر)
جوش A بر اساس رابطه ترکیب تنش برشی و پیچشی طراحی می شود. ابتدا پارامتر های ابعادی مجموعه جوش تعیین شده، سپس مشخصات هندسی آن محاسبه می گردد. در انتها با توجه به نحوه اعمال و ترکیب تنش هاف جوش طراحی می شود.
اتصال تیر به ستون با نبشی جان
پارامترهای ابعادی
فاصله مونتاژ در حدود 12 تا 20 میلی متر لحاظ می شود، این فاصله به علت حدف مشکلات اجرایی در ساخت تیرها و جلوگیری از انتقال تنش های تماسی از تیر به ستون در هنگام دوران می باشد (شکل زیر).
مشخصات هندسی
تنش های موجود
تنش برشی
اتصال تیر به ستون با نبشی جان
طرح جوش A
تنش های ناشی از لنگر پیچشی
فاصله مونتاژ
ترکیب تنش ها
طراحی جوش
تعیین بعد جوش
بعضی از مراجع از جمله نشریه 264 برای طرح جوش B، مقرر نمودند که طراحی بر اساس ترکیب تنش های ناشی از برش، R و خمش، ، طراحی شوند.
تعیین بعد جوش
بررسی انعطاف پذیری نبشی
به علت ایجاد دوران در انتهای تیر در بال نبشی اتصال، خمش ایجاد می گردد (شکل زیر). تنش های ناشی از این خمش برابر است با:
اتصال تیر به ستون با نبشی جان
تغییر شکل بالای نبشی و دوران کل نبشی عبارتند از:
بررسی انعطاف پذیری نبشی
دوران کل نبشی باید در حدود زاویه دوران تیر دو سر مفصل که از رابطه های کلاسیک مقاوت مصالح بدست می آید باشد. طبق بند 4-2-3 نشریه 264 چنانچه دوران نبشی، 𝜃 𝑙 ، از دوران انتهای تیر، کوچکتر باشد، بیانگر این مطلب است
که نبشی اتصال، انعطاف پذیری لازم را ندارد.
اتصال تیر به ستون با نبشی جان
وقتی که واکنش تکیه گاهی از حد قابل قبول (در حدود 10 تن و بیشتر) برای نشیمن های ساده تجاوز نماید، استفاده از نشیمن های تقویت شده مورد توجه قرار می گیرد (البته در کارهای عملی و با توجه به نبشی های موجود در بازار از حدود عکس العمل 5 تن، استفاده از نشیمن تقویت شده توصیه می گردد). در شکل زیر حالات مختلفی از نشیمن های سخت شده ارایه شده است. کاربرد این نوع اتصال برای حمل واکنش های سنگین مثلا براکت ها (دستک ها) ی تکیه گاهی تیرهای زیر سری جرثقیل های سقفی است.
اتصال ساده با نشیمن سخت شده (براکت)
از نظر تاثیر بار، تیرها به دو صورت روی تکیه گاه سخت شده قرار می گیرند:
(الف) امتداد تیر عمود بر صفحه سخت کننده است (شکل 1). در این حالت برون محوری بار P، از جان تیر تا وجه تکیه گاه می باشد.
(ب) امتداد تیر هم صفحه سخت کننده است (صفحه جان تیر در امتداد صفحه قائم نشیمن تقویت شده است) (شکل 2). در این حالت برون محوری از مرکز سطح تماس N تا وجه تکیه گاه منظور می شود.
برون محوری
شیوه طراحی هر دو حالت مشابه بوده و اختلاف در محل تاثیر نیرو است.
گاهی ممکن است این نشیمن از یک نیمرخ سپری و یا بریدن یک قطعه از تیر I شکل و یا حتی دو ورق که به هم متصل می شوند، ساخته شود.
نکاتی در مورد صفحه نشیمن تقویت شده
طول صفحه قائم، L ، با توجه به طول جوش مورد نیاز برای اتصال نشیمن به ستون بدست می آید، از دو پارامتر طول صفحه قائم و بعد جوش برای اتصال ورق قائم به ستون، یکی انتخاب شده و دیگری محاسبه می شود. معمولا بعد جوش با توجه به ضابطه های مندرج در مبحث 10 تعیین و طول صفحه قائم از محاسبه بدست می آید.
صفحه قائم ممکن است مستطیلی بوده و یا با برش، مطابق خط چین ها در شکل زیر به شکل پنج ضلعی درآورده شود. لازم به ذکر است قسمت های بریده شده تاثیر چندانی در مقاومت اتصال ندارند و گاهی به علت محدودیت های معماری بریده می شوند.
نکاتی در مورد صفحه نشیمن تقویت شده
خط های برش نمایش داده شده در شکل روبرو بر مبنای AISC می باشد که در نشریه شماره 78 سازمان مدیریت و برنامه ریزی نیز آمده است. در بعضی از کتاب ها برش های مطابق شکل زیر پیشنهاد شده است.
چنانچه قطعه T شکل، از دو صفحه مجزا از هم ساخته شود، باید محل اتصال کاملا صاف بوده و اتصال با جوشی، که قدرت آن معادل یا بزرگتر از قدرت جوشی است که صفحه قائم را به ستون جوش می دهد صورت گیرد.
طراحی نشیمن سخت شده
ضخامت سخت کننده بر حسب اقناع شروط زیر تعیین می گردد:
طراحی نشیمن سخت شده
W= عرض سخت کننده (cm)
Fy = تنش تسلیم فولاد (kg/cm^2)
a= فاصله مونتاژ
ضخامت سخت کننده بر حسب اقناع شروط زیر تعیین می گردد:
طراحی نشیمن سخت شده
طراحی اتصال نشیمن به تکیه گاه:
اتصال نشیمن به تکیه گاه به کمک جوش و یا پیچ انجام می شود (شکل زیر). در هر دو حالت جزئیات اتصال تحت نیروی برشی P و لنگر خمشی M=Pe قرار دارد. برای اتصال جوشی، رابطه زیر برای تعیین ظرفیت ارایه شده است:
طراحی نشیمن سخت شده
رابطه فوق در اسلاید بعدی اثبات می شود.
محاسبه حداکثر بعد جوش Dmax:
با کنترل تنش برشی انتقال یافته از جوش بین سخت کننده و تکیه گاه حداکثر بعد جوش بدست می آید. برای الکترود E60 و نوع کارگاهی حداکثر بعد جوش بصورت زیر تعیین می گردد:
طراحی نشیمن سخت شده
طرح جوش:
این جوش براساس رابطه ترکیب تنش برشی و تنش های ناشی از خمش طراحی می گردد. با توجه به پارامتر های هندسی در شکل زیر، رابطه های مرکز ثقل و اساس مقطع مجموعه جوش با جایگزینی b=0.2L و d=L محاسبه می شود:
در طراحی جوش، برون محوری ef می تواند برابر 0.8W در نظر گرفته شود.
بخش 4:
اتصالات صلب تیر به ستون
در مواردی که انتقال کامل لنگر از تیر به ستون لازم باشد و هیچ گونه چرخش نسبی بین اعضا وارد به اتصال به وجود نیاید، از اتصال صلب استفاده می شود. اثر لنگر خمشی در تیر به صورت یک کوپل نیرو، در بال کششی و فشاری تیر می باشد. بازروی این کوپل نیرو تقریباً برابر ارتفاع تیر است. وظیفه یک اتصال صلب، انتقال نیروهای محوری به وجود آمده در بال های تیر می باشد، نیروی برشی انتهای تیر نیز توسط اتصال جان تحمل می گردد.
معرفی
بهترین گزینه برای انتقال لنگر از تیر به ستون، جوش مستقیم بال های تیر به ستون می باشد (شکل زیر). در این اتصال از جوش شیاری با نفوذ کامل استفاده می شود. این نوع اتصال، کمترین مقدار جوش را لازم دارد. اجرای این اتصال مشکل و گران می باشد، زیرا بریدن دقیق و آماده سازی تیر، نیاز به زمان و نیروی ماهر دارد.
اتصالات صلب در قاب های خمشی به کار می روند و قاب های خمشی از سیستم های مقاوم در مقابل نیروهای زلزله هستند.
نوع دیگر اتصال صلب، استفاده از ورق فوقانی است (شکل زیر). این روش دقت کمتری نیاز داشته و نیازی به آماده سازی لبه ها ندارد. ولی در این اتصال ورق های بیشتری بکار رفته و مقدار جوش، حدوداً دو برابر حالت قبل است. بال پائین تیر می تواند بوسیله جوش شیاری مستقیماً به ستون متصل گردد. در این جالت نیازی به نیم جناقی کردن بال پائینی نمی باشد.
معرفی
لازم به ذکر است که نشیمن تحتانی به عنوان ورق پشت بند بکار می رود. ورق پائینی بوسیله جوش گوشه به بال پائینی تیر جوش می شود.
در نوع دیگر اتصال صلب، نیروی فشاری موجود در بال پائینی بوسیله جوش ورق نشیمن به بال پائینی در طول کافی به ستون انتقال می یابد و از جوش دادن مستقیم بال تیر به ستون پرهیز می شود. در این حالت ورق نشیمن پائینی بوسیله جوش شیاری به ستون متصل می گردد. مقدار مصالح به کار رفته در این حالت بیشتر می باشد.
معرفی
اتصال صلب دو وظیفه اصلی دارد:
1- انتقال لنگر انتهایی تیر به ستون
2- انتقال برش انتهایی تیر به ستون
معرفی
در شکل زیر، دو حالت برای انتقال لنگر انتهایی تیر به ستون نشان داده شده است. در جزئیات سمت چب بال فوقانی و تحتانی به طور مستقیم و بدون هیچ واسطه ای با جوش شیاری به ستون جوش شده است. اجرای این جزئیات در پای کار مشکل است، زیرا طول تیر باید درست به اندازه فاصله آزاد دو ستون بریده شود که این عمل به راحتی امکان پذیر نیست. در جزئیات سمت راست برای هر دو بال تحتانی و فوقانی از ورق های روسری و زیر سری استفاده شده است.
در شکل زیر دو حالت برای انتقال برش انتهایی تیر به ستون نشان داده شده است. در جزئیات چپ برش توسط ورق جان و در جزئیات سمت راست برش توسط ورق نشیمن انتقال یافته است.
معرفی
در شکل زیر جزئیات اتصال جوشی صلب تیر به ستون با استفاده از ورق زیر سری و روسری نشان داده شده است. به منظور فراهم آوردن امکان جوشکاری در حالت تخت در کارگاه، عرض ورق روسری کوچکتر از عرض بال فوقانی تیر و عرض ورق زیرسری بزرگتر از عرض ورق بال تحتانی انتخاب می شود.
اتصال صلب جوشی با ورق زیر سری و روسری
در طراحی اتصال صلب فرض می شود لنگر اتصال به صورت زوج نیرو از طریق بال توسط ورق های زیرسری و روسری و نیروی برشی تکیه گاهی توسط ورق برشگیر جان منتقل می گردد.
مقادیر فوق از تحلیل سازه در مقابل ترکیبات بارگذاری و به دست می آید، اما توصیه می شود که M کمتر از ظرفیت خمشی مجاز مقطع تیر در نزدیکی تکیه گاه در نظر گرفته نشده و مقدار R نیز کمتر از مقدار بدست آمده از رابطه زیر اختیار نگردد:
روش طراحی- تعیین لنگر طراحی M و نیروی برشی طراحی R
نیروی افقی ورق های روسری و زیرسری از رابطه زیر به دست می آید:
روش طراحی- تعیین سطح مقطع ورق روسری و زیرسری
سطح مقطع ورق روسری و زیرسری برابر می شود با:
برای امکان جوش گوشه در وضعیت تخت، عرض ورق روسری به اندازه حداقل 30 میلی متر کوچکتر از عرض بال فوقانی و عرض ورق زیرسری به مقدار حداقل 30 میلی متر بزرگتر از عرض ورق بال تحتانی منظور می شود.
طول ورق روسری و زیرسری، با توجه به طول جوش لازم گوشه برای اتصال ورق های زیرسری و روسری به بال تیر تعیین می گردد.
روش طراحی- طول ورق روسری و زیرسری
طول Lw در ورق روسری توسط دو طول بغل و یک عرض انتهایی تامین می گردد. در ورق زیرسری Lw فقط در طول بغل قابل تامین است و انتهای ورق زیرسری قابل جوش نیست. مطابق شکل اتصال صلب تیر به ستون، ورق روسری را در طولی مساوی 1.5 bA از سر ستون جوش نمی دهند. در نتیجه طول ورق روسری برابر می شود با:
و طول ورق زیرسری:
ورق های زیرسری و روسری باید با جوش شیاری تمام نفوذی به بال ستون جوش شوند (استفاده از جوش گوشه دوطرفه برای اتصال ورق زیر سری به ستون در قاب های صلب معمولی مجاز است). ورق زیرسری در کارخانه به ستون جوش می شود و امکان حصول جوش شیاری با برای آن قابل انتظار است، لیکن ورق روسری در کارگاه به ستون جوش می شود و بهتر است برای این جوش از ظریب کیفیت 0.75 یا 0.85 استفاده نمود. در نتیجه عرض ورق روسری لازم است در محل اتصال به ستون افزایش یابد و در نتیجه ورق روسری به صورت کله گاوی درآید (شکل زیر).
روش طراحی- اتصال ورق روسری و زیرسری به بال ستون
(الف) تعیین ابعاد ورق برشگیر جان براساس انتقال نیروی برشی
روش طراحی- طراحی ورق برشگیر جان
(ب) تعیین اندازه جوش ورق برشگیر
ورق برشگیر از یک لبه به بال ستون و از سمت دیگر به جان تیر جوش می شود (شکل زیر).
جوش D: این جوش برای اثر مشترک نیروی برشی R و لنگر پیچشی Re محاسبه می شود.
جوش E: این جوش برای اثر مشترک نیروی برشی R و لنگر خمشی Re محاسبه می شود.
(الف) چشمه اتصال، ناحیه محصور شده جان ستون در مقابل بال تیر است. چشمه اتصال تیر به ستون باید توانایی مقابله با برش ناشی از لنگر خمشی تیر به علت بارهای ثقلی به علاوه 1.85 برابر نیروی زلزله را دارا باشد. لیکن مقاومت برشی لازم نیست از برش نظیر تیرهای متصل به بال های ستون در محل اتصال بیشتر باشد. مقاومت برشی چشمه اتصال را می توان با استفاده از رابطه زیر محاسبه نمود:
روش طراحی- کنترل جان ستون در ناحیه چشمه اتصال
(ب) ضخامت چشمه اتصال، tz باید رابطه زیر را اقناع کند:
روش طراحی- کنترل جان ستون در ناحیه چشمه اتصال
برای این منظور، tz نباید شامل ضخامت هرگونه ورق مضاعف باشد، مگر اینکه ورق مضاعف توسط جوش انگشتانه کافی به منظور جلوگیری از کمانش موضعی، به جان ستون جوش شود.
(پ) ورق مضاعف
ورق های مضاعف به منظور کاهش تنش برشی در چشمه اتصال و یا کاهش نسبت ارتفاع به ضخامت جان به کار گرفته می شوند. فاصله این ورق ها نباید بیش از 1.5 میلی متر از جان ستون باشد باید در طول لبه فوقانی و لبه تحتانی ورق با جوش گوشه با بعد حداقل مساوی 5 میلی متر جوش شوند. این ورق ها باید با استفاده از جوش شیاری یا گوشه به منظور حصول مقاومت برشی ورق های مضاعف به بال ستون جوش شوند.
در مقابل ورق های اتصال روسری و زیرسری باید ورق های پیوستگی که سطح مقطع آنها کمتر از سطح مقطع بال های فوقانی و تحتانی تیر نباشد، نصب نمود (شکل زیر).
روش طراحی- ورق های پیوستگی
جوش ورق های پیوستگی باید قادر به انتقال نیروی بال از طریق ورق ها به طرف مقابل باشد. اگر شرایط زیر اقناع گردد، طبق آئین نامه نیازی به استفاده از سخت کننده (ورق های پیوستگی) در مقابل بارهای فشاری و کششی نیست، ولی به لحاظ لرزه ای، نصب ورق های پیوستگی در هر حال توصیه می شود.
بخش 5:
کف ستون ها (ورق پای ستون ها)
کف ستون ها صفحاتی می باشند که نیروهای متمرکز پای ستون را به صورت گسترده روی سطح تکیه گاهی توزیع می کنند.
معرفی
فشارتماسی مجاز برای انتقال بارستون به شالوده از طریق کف ستون به مقادیر زیر محدود می شود:
فشارتماسی مجاز بین بتن ومصالح بنایی
فشار تماسی مجاز بر روی بنایی با سنگ آهک و ماسه سنگ متراکم با ملات ماسه سیمان
فشار تماسی مجاز بر روی بنایی باآجرکاری با ملات ماسه سیمان
فشارتماسی مجاز برروی تکیه گاه بتنی
که در آن :
fc= مقاومت فشاری مشخصه بتن روی نمونه استوانه ای استاندارد
A1= سطح ورق زیر ستون درتماس با شالوده
A2= مساحت حداکثر متشابه با ورق زیرستون و محاط در سطح شالوده و هم مرکز با آن
اتصال پای ستون به ورق کف ستون باید قادر به انتقال کلیه نیروهای پای ستون شامل نیروی محوری، نیروی برشی ولنگر خمشی باشد. این اتصال می تواند به یکی از صور زیر برقرار گردد:
اتصال ستون به ورق کف ستون
1- اتصال تمام قدرت بااستفاده ازجوش شیاری با نفوذ کامل(شکل-الف).
2- اتصال با استفاده از نیروهای موجود و جوش گوشه که برای نیروهای فوق طراحی شده است(شکل-ب).
3- اتصال به کمک واسطه نظیر نبشی ویا ورق های لچکی (شکل-پ)
اتصال ستون به ورق کف ستون
4-اتصال به کمک تماس مستقیم فقط برای انتقال تنش فشاری (شکل-ت). در این حالت انتهای ستون که با ورق پای ستون در تماس است، باید به صورت گونیا بریده شده و سنگ زده شود. سطح ورق کف ستون نیز باید کاملاً سنگ زده شود تا درتماس کامل با ورق پای ستون قرار گیرد. درچنین حالتی اکثر نیروی محوری توسط فشار تماسی منتقل می شود. برای انتقال برش پای ستون و همچنین لنگرخمشی ستون درهنگام نصب، باید تدابیرخاص اندیشه شود. همچنین اتصال باید بتواند هر نوع کشش حاصل از اثر بارهای جانبی توام با اثر75درصد بار مرده بدون اثر بار زنده را تحمل کند.
در صورتی که در محل درز، از اتکای کامل مطمئن نباشیم، لیکن انتهای ستون گونیا شده وسنگ زده شود، لازم است 50درصد نیروی فشاری ستون توسط جوش گوشه به کف ستون انتفال یابد.
برای انتقال تنش ازکف ستون به شالوده و طراحی جزییات کف ستون، چهار حالت زیر باید مورد توجه قرار گیرد:
انتقال تنش از کف ستون به شالوده
P: نیروی محوری در پای ستون، M: لنگر خمشی در پای ستون، H: بعد ورق پای ستون در صفحه خمش
برون محوری صفر 𝒆= 𝑴 𝑷 =𝟎
شکل زیر نشان دهنده وضعیت پای ستون در این حالت است. با داشتن فشار تماسی مجاز، حداقل مساحت ورق پای ستون برابر است با:
تعیین مساحت سطح تماس
⇒
P: نیروی محوری در پای ستون، Fp: تنش فشاری تماسی مجاز،
ابعاد B و H درصورت امکان طوری انتخاب گردند که بازوهای طره ای m و n درحدود یکدیگر به دست آیند.
ضخامت ورق کف ستون برمبنای عملکرد طره ای بازوهای m و n تعیین می گرد.
تعیین ضخامت ورق کف ستون
⇒
M: لنگرطره برای نواری به عرض واحد
Fy: تنش تسلیم مصالح ورق کف ستون
⇒
تبصره: درمواردی ابعاد B و H به دلایل اجرایی بزرگترا ز B و H حداقل در نظرگرفته می شوند. در چنین مواردی می توان انتخاب ضخامت t را بر مبنای B و H حداقل حاصل از محاسبات که متشابه وهم مرکز با B و H واقعی است، قرار داد.
درصورتی که ضخامت به دست آمده در بخش قبل زیاد باشد، می توان با تعبیه سخت کننده از عملکرد طره ای ورق کف ستون کاست (شکل زیر). با تعبیه سخت کننده ورق کف ستون به سه ناحیه زیر تقسیم می گردد:
استفاده از سخت کننده برای کاهش ضخامت ورق کف ستون
لنگر ناحیه 1 به روش طره ای مطابق رابطه زیر محاسبه می گردد:
استفاده از سخت کننده برای کاهش ضخامت ورق کف ستون
لنگر ناحیه 2 از رابطه زیر به دست می آید:
Ma: لنگربرای نواری به عرض واحد به موازات ضلع a
Mb: لنگربرای نواری به عرض واحد به موازات ضلع b
𝛼 1 ، 𝛼 2 و 𝛼 𝟑 مطابق جدول بدست می آیند:
لنگر ناحیه 3 از رابط زیر به دست می آید:
پس از تعیین ضخامت ورق کف ستون بر مبنای بزرگترین لنگر به دست آمده در نواحی 2،1و3، باید خمش کلی ورق کف و سخت کننده ها در مقطع 1-1 مورد کنترل قرار گیرد.
ورق کف ستون باید توسط میله مهار کافی به فونداسیون متصل گردد. در حالت برون محوری صفر، میله مهارها تحت نیروی بهره برداری قرار نمی گیرند. اما در هنگام نصب ستون می توانند تحت لنگرخمشی ناشی از بارباد برروی ستون و یا بارهای ضربه ای وارد بر ستون قرار گیرند. بنابراین تعداد و قطر میله مهارها بر اساس قضاوت مهندسی انتخاب شده و برای نیروهای نصب کنترل می شود. این میله مهارها باید قادر به انتقال برش پای ستون بر مبنای ایده برش اصطکاک باشند. براین پایه سطح مقطع میله مهار برای حمل برش پای ستون از رابطه زیر به دست می آید:
میله مهار ورق کف ستون
V: نیروی برشی پای ستون
𝝁 :ضریب اصطکاک بین بتن وفولاد (درغیاب اعداد دقیق مساوی 0/9 فرض می شود).
Fu: تنش نهایی میله مهار
برون محوری وقتی رخ می دهد که درپای ستون علاوه بر نیروی محوری، لنگر خمشی نیز وجود داشته باشد. نسبت لنگر خمشی به نیروی محوری e=M/P برون محوری نامیده می شود. در صورتی که e<H/6 باشد، در سطح تماس ورق با شالوده فشار کامل بوده و مقدار فشار حداکثر از رابطه زیر بدست می آید
برون محوری ناچیز 𝒆= 𝑴 𝑷 ≤ 𝑯 𝟔
تنش به دست آمده از رابطه فوق باید کوچک تر از Fp گردد. با فرض تنش یکنواخت Pmax، دنباله محاسبات برای تعیین ضخامت کف ستون، می تواند مطابق به حالت برون محوری صفر انجام گردد.
درصورتی که مقدار برون محوری از H/6 تجاوز نماید، منطقه بدون فشار در زیر ورق کف ستون به وجود می آید. لیکن تا برون محوری e=H/6 ورق کف ستون در مقابل واژگونی پایدار بوده ودر میله مهارکشش ایجاد نمی شود. با توجه به منطقه بون فشار، روابط تعیین فشار حداکثر بتن به صورت زیر در می آیند:
برون محوری کوچک 𝑯 𝟔 ≤𝒆= 𝑴 𝑷 ≤ 𝑯 𝟐
⇒
در این حالت با توجه به افزایش لنگر خمشی، پایداری ورق کف ستون بدون ایجاد نیروی کششی در میله مهارهای سمت کشش امکان پذیر نیست. با قیاس به مقطع بتنی ترک خورده، روابط لازم برای محاسبه تنش حداکثر در بتن و نیروی کششی میله مهار به صورت زیر در می آید (شکل زیر)
برون محوری بزرگ 𝒆= 𝑴 𝑷 ≥ 𝑯 𝟐
⇒
رابطه تعیین ارتفاع تار خنثی:
⇒
بخش 6:
وصله تیرها
وصله تیرها
شکل 1 وصله استاندارد را نشان می دهد که از چهار ورق تشکیل یافته است، به همین مناسبت به چنین وصله ای، وصله چهار ورقی می گوییم. در مواقعی که بال تیر ضخیم باشد، ممکن است که مجبور شویم همانند شکل 2 از هشت ورق استفاده نماییم.
وصله تیرها
به عنوان یک قانون طراحی، هر قطعه از وصله باید برای نیروی قسمتی که جایگزین آن می شود، محاسبه گردد. از آنجایی که نیروی برشی توسط جان و لنگر خمشی توسط بال نیمرخ حمل می شود، بنابراین وصله های جان عهده دار تحمل نیروی برشی و وصله های بال عهده دار تحمل لنگر خمشی می باشند.
وصله ها را معمولا برای نیروهای داخلی موجود در نقطه قطع که از روی نمودار تغییرات نیروی برشی و لنگر خمشی بدست می آید، طراحی می نمایند. لیکن آئین نامه ها مقدار این نیروها را به حداقلی محدود می کنند. مثلا مبحث دهم مقرر می دارد که نیروهای طراحی یک وصله نباید از 50 درصد ظرفیت نیمرخ کامل کمتر باشد. ائین نامه پل سازی آشتو این مقدار را به 75 درصد ظرفیت نیمرخ محدود می کند. البته اگر بخواهیم برای وصله تیرها از اتصال لب به لب با جوش شیاری استفاده نماییم، طبق آئین نامه جوش شیاری را باید برای تمام ظرفیت تیر طراحی نماییم.
وصله تیرها می تواند به یکی ازصور زیر انجام پذیرد:
وصله تیرها
اتصالات نوع الف و ب، فقط بصورت جوشی و اتصالات پ، ت، ث، بصورت جوشی و پیچی توصیه می شوند. استفاده از اتصال نوع ث، برای شاهتیر پل ها الزامی است.
وصله تیرها
1-درجزییات الف وب،جوش های شیاری بال وجان برای مقاومت خمشی و برشی کامل نیمرخ ضعیفتر در محل اتصال محاسبه می شوند.
وصله تیرها- نیروهای طرح
–
درسایر جزییات، طراحی وصله باید براساس حداکثر اثر نیروهای داخلی زیر طراحی می شود:
وصله تیرها- نیروهای طرح
ظرفیت مجاز عضو خمشی بر مبنای مقطع کلی (ناخالص) محاسبه می شود (بدون کسرسطوح سوراخها)، مگرآنکه بیش از 15درصد از مقطع هر بال به علت سوراخها کسرشده باشدکه در این صورت مازاد بر15 درصد از سطح مقطع کلی کسر می گردد.
ظرفیت خمشی مجاز تیر از رابطه زیر تعیین می گردد:
برای ظرفیت مجاز برشی مجاز تیر داریم:
–
محل وصله باید تا حد امکان در محلی انتخاب گردد که در آن نیروهای طراحی (لنگرخمشی و نیروی برشی) کوچک باشند و همچنین از محل تشکیل مفصل های خمیری در هنگام زلزله به قدر کافی دور باشند.
محل وصله تیر
ورق وصله بال و وسایل اتصال آن برای نیروی فشاری و یا کششی زیر طراحی می شود:
نیروهای طراحی اجزای وصله تیر
–
ورق وصله جان برای نیروی برشی طرح و لنگر خمشی سهم جان طراحی می گردد:
نیروهای طراحی اجزای وصله تیر
با معلوم بودن Mw لنگر پیچشی در مرکز هندسی گروه پیچ و یا جوش برابر می شود با:
گروه پیچ یا جوش اتصال دهنده ورق جان، علاوه بر نیروی برشی V، باید برای لنگر پیچشی فوق نیز طراحی گردد.
–
1- نیروی ورق وصله بال از رابطه زیر به دست می آید:
طراحی ورق وصله بال
2- سطح مقطع کلی ورق وصله و یا سطح مقطع خالص آن از روابط زیر محاسبه میگردد:
در صورت استفاده از جوش برای اتصال ورق وصله بال به بال، نیازی به استفاده از رابطه Anf نمی باشد
3- درصورت استفاده ازاتصال پیچی، تعداد پیچ های لازم برای اتصال ورق وصله بال در یک طرف مقطع برابر است با:
4-در صورت استفاده از اتصال جوشی، طول جوش لازم برای اتصال ورق وصله بال برابر است با:
–
1- سطح مقطع اولیه ورق وصله جان از رابطه زیر به دست می آید:
طراحی ورق وصله جان
با توجه به ارتفاع جان، ارتفاع مناسبی برای ورق وصله ی جان به دست می آید. با تقسیم Aw بر ارتفاع، ضخامت ورق وصله جان تعیین می گردد. پس از تعیین ابعاد اولیه ورق جان، بایدکنترل دقیق تنش براساس نیروی برشی V و لنگرخمشی Mw انجام گردد.
2-طراحی جوش یا پیچ اتصال دهنده ورق وصله جان، با توجه به مطالب ارایه شده برای نیروی برشی V و لنگر خمشی MT انجام می شود.
کنترل عمومی مقطع ورق های وصله
بعد از تعیین ابعاد ورق وصله بال وجان، ممان اینرسی ورق های وصله حول تار خنثی مقطع محاسبه شده و عملیات کنترل تنش با استفاده از روابط مقاومت مصالح بر روی آنها انجام می شود. توجه شود که اگر سطح مقطع سوراخهای ورق بال یزرگتر از 15درصد سطح مقطع کلی آن باشد، باید از سطح مقطع خالص ورق های بال برای محاسبه ممان اینرسی استفاده نمود.
بخش 7:
وصله ستون ها
معرفی
با رفتن به طبقات بالاتر، بار محوری ستون ها کمتر می شود. در نتیجه می توان برای آنها نیمرخ های سبک تری انتخاب کرد. این موضوع و همچنین محدود بودن طول تیرآهن، استفاده از وصله در ستون ها را ایجاب می نماید. هر چند که کاستن از شماره نیمرخ با کم شدن نیروی محوری، باعث سبک تر شدن ستون و کاهش فولاد مصرفی می شود، لیکن باید توجه داشت که وصله نیمرخ جدید به نیمرخ قدیم، اضافه مخارجی دربر دارد که ممکن است کاهش مخارج ناشی از سبک تر کردن نیمرخ را جبران ننماید. لذا در عمل تا ارتفاعی مساوی طول یک شاخه تیرآهن (12 متر- در حدو 3 طبقه)،شماره نیمرخ عوض نمی شود و همان نیمرخ پایین ترین طبقه، تا 2 طبقه بعد نیز ادامه می یابد.
وصله ستون ها
وقتی که وصله ستون اجتناب ناپذیر شد، بهترین محل برای وصله در حدود 100 سانتی متری بالای کف طبقه است. چون اولا در این محل به قدر کافی از محل اتصال تیر به ستون دور شده ایم و ثانیا از لحاظ انجام عملیات جوشکاری، ارتفاع بسیار مناسبی را در اختیار داریم.
در صورتی که ستون عضوی از قاب خمشی باشد، در اثر بارهای جانبی در آن ایجاد لنگر خمشی می گردد که نقطه عطف آن تقریبا در وسط ارتفاع قرار دارد. در این حالت بهترین محل برای وصله ستون، وسط ارتفاع طبقه است که در آن لنگر خمشی مساوی با صفر می باشد. اما از طرف دیگر، انجام عملیات جوشکاری در وسط ارتفاع طبقه، مشکلاتی همراه دارد که ممکن است طراح را به انتخاب ارتفاع کمتر برای وصله وا دارد.
محل وصله ستون ها
شکل های زیر جزییات مورد قبول آیین نامه اتصالات (نشریه 264) برای وصله ستون ها را نشان می دهد.
وصله ستون ها
شکل الف: اتصال مستقیم بال با جوش لب به لب و اتصال جان با ورق وصله.
در مواردی مورد استفاده قرار می گیرد که ارتفاع جان دو نیمرخ ستون یکی باشد از این وصله در ستون های سبک و با نظارت دقیق جوش استفاده می شود.
شکل ب: اتصال با ورق های وصله بال وجان با نیمرخ های هم اندازه برای دو ستون تحتانی و فوقانی.
توجه شودکه ورق های وصله ابتدا به ستون تحتانی درکارخانه جوش می شوند و جوش آنها به ستون فوقانی درکارگاه بعد از نصب انجام می شود.
وصله ستون ها
شکل پ: اتصال با ورق وصله بال و جان وقتی که نیمرخ های فوقانی و تحتانی هم اندازه نیستند. ضخامت ورق پرکننده بیش از 7میلی متر است و باید ابعاد آن بزرگتر از ورق وصله باشد و با جوشی هم مقاومت با جوش ورق وصله به ستون متصل شود.
وصله ستون ها
شکل ت: همان اتصال نوع 3 است که در آن ضخامت ورق پرکننده کمتر از 7 میلی متر می باشد. لبه ورق وصله بال با ورق پرکننده به صورت همباد درآمده و طی عمل جوشکاری، با ورق اتصال ذوب و یکپارچه می شود. ضخامت ورق پرکننده باید به بعد ساق جوش محاسباتی ورق وصله اضافه شود. در وصله های پیچی، ورق پرکننده بدون توجه به ضخامت آن، همباد ورق اتصال درنظرگرفته می شود.
وصله ستون ها
شکل ث: اتصال دو ستون را با صفحه سر واسطه نشان می دهد. از این جزییات وقتی استفاده می شود که اختلاف ابعاد دو ستون فوقانی و تحتانی بیش از 50 میلی متر باشد.
وصله ستون ها
شکل ج: اتصال دو ستون ساخته شده از ورق را نشان می دهدکه درآن با افزایش ضخامت بال ستون ضعیفتر درفاصله از اتصال، ابعاد دو ستون همسان شده اند.
وصله ستون ها
نیروهای طرح در وصله ستون
در طراحی وصله ستون های سازه مقاوم در برابر زلزله، وصله ستون باید دارای مقاومت مجاز کافی برای مقابله با نیروهای فشاری یا کششی حاصل دو ترکیب بارگذاری زیر باشد:
وصله ستون ها
الف: فشارمحوری
ب:کشش محوری
در روابط فوق
محل درز وصله ستون در فاصله 1/2 متر در بالای کف ساختمان توصیه می شود.
محل وصله ستون
(الف) ورق وصله بال
وصله بال و وسایل اتصال آن باید برای نیروی فشاری یا کششی زیر طراحی شود:
نیروهای طراحی اجزای وصله
جمله اول اثر نیروهای فشاری یا کششی ناشی از لنگر خمشی و جمله دوم اثر نیروی فشاری یا کششی محوری می باشد که در آن:
(ب) ورق وصله جان
ورق وصله جان برای تمام نیروی برشی طرح، لنگر خمشی سهم جان و نیروی محوری سهم جان طراحی می گردد:
نیروهای طراحی اجزای وصله
بامعلوم بودن Mw، لنگر پیچشی در مرکز هندسی گروه پیچ با جوش برابرمی شود با:
گروه پیچ یا جوش اتصال دهنده ورق جان باید برای نیروی Fw، V و لنگر پیچشی MT طراحی شوند.
طراحی ورق وصله بال:
پس از به دست آوردن نیروی ورق وصله، سطح مقطع کلی ورق وصله ویاسطح مقطع خالص آن ازروابط زیرمحاسبه می گردد:
روش طراحی
که در روابط فوق:
در صورت استفاده از جوش برای اتصال ورق وصله بال به بال، نیازی به استفاده از رابطه Anf نمی باشد.
درصورت استفاده از اتصال پیچی تعداد پیچ های لازم برای اتصال ورق وصله بال در یک طرف مقطع برابر است با:
روش طراحی
درصورت استفاده از اتصال جوشی، طول جوش لازم برای ورق وصله بال برابر است با:
1- باتوجه به نیروی برشی مقطع، لنگرخمشی سهم جان و نیروی محوری سهم جان سطح مقطع مناسبی برای ورق جان حدس زده می شود. به عنوان تقریب اول سطح ورق یا ورق های جان درحدود سطح مقطع جان ستون فرض می گردد.
طراحی ورق وصله جان
2- طراحی جوش یا پیچ اتصال دهنده ورق وصله جان، طبق تیوری های ارایه شده برای حمل نیروی برشی V ، نیروی محوری Fw، و لنگر پیچشی MT انجام می شود.
بعد از تعیین ابعاد ورق وصله بال وجان، مشخصات هندسی مقطع وصله درمحل درز اتصال شامل سطح مقطع، و ممان اینرسی درحول تارخنثای مقطع، محاسبه شده و عملیات کنترل تنش با استفاده از روابط مقاومت مصالح و تنش های مجاز عمومی ستون بر اساس نیروهای طرح در محل وصله انجام می شود.
کنترل عمومی مقطع ورق های وصله
بخش 8:
اتصالات بادبند ها
بادبندها به عنوان عناصر مقاوم درمقابل زلزله به اشکال مختلف برای مقاوم سازی ساختمان در مقابل نیروهای زلزله به کار می روند (شکل زیر).
اتصالات بادبند ها
اتصالات بادبند ها
طراحی اتصال بادبند
ورق اتصال باید جوابگوی 5 کنترل تنش باشد:
کنترل ورق اتصال بادبند
ورق اتصال باید جوابگوی 5 کنترل تنش باشد:
کنترل ورق اتصال بادبند
ورق اتصال باید جوابگوی 5 کنترل تنش باشد:
کنترل ورق اتصال بادبند
عضو مهاربند که تحت نیروی محوری قرار دارد، باید با وسایل اتصال کافی(پیچ یا جوش) به ورق اتصال متصل گردد.
اتصال عضو مهاربند به ورق اتصال
شکل زیر چهار روش برای تعیین نیروهای منتقله از ورق اتصال به ستون را نشان می دهد. اشکال الف و ب، تجزیه نیرو را به دو مولفه نشان می دهد. شکل پ، روش پیشنهادی آستانه اصل و شکل ت، روش پیشنهادی تورنتون است. استفاده از هر یک از روشهای فوق، بسته به انتخاب طرح امکان پذیر است. استفاده از تحلیل اجزای محدود نیز در این مورد قابل توصیه است.
اتصال ورق اتصال به ستون و تیر
همانطور که در اسلاید قبل اشاره شد، روش نیروی یکنواخت یکی از چهار روش مورد قبول برای طراحی اتصال ورق اتصال به تیر و ستون می باشد. به علت دقت آن، این روش مقبولیت زیادی پیدا کرده است. مراحل کار به قرار زیر است:
روش نیروی یکنواخت
با تشکر از توجه شما