هدف از این مقاله آموزش طراحی اتصالات فولادی می باشد که یکی از کلیدی ترین مراحل طراحی سازه های فولادی است. طراحی اتصالات فولادی آخرین مرحله در طراحی یک سازه فولادی می باشد که همواره یکی از چالش ها و دغدغه های مهندسین طراح سازه بوده است. طراحی اتصالات فولادی عموماً یک فرایند پیچیده و مشکل ساز بوده که متاسفانه بسیاری از مهندسین نسبت به آن بی توجهی کرده و در اغلب موارد از دتایل ها و جزئیات آماده در نقشه های خود استفاده می کنند.

لازم به ذکر است که نحوه اتصال اعضا در یک سازه فولادی نقش کلیدی و اساسی در پایداری سازه در برابر نیروهای وارده دارد. در یک سازه فولادی حتی اگر تیرها و ستون ها محافظه کارانه طراحی شده باشند، در صورت عدم طراحی و اجرای مناسب اتصالات و جزئیات کارآمد، ایمنی لازم را برای ساختمان در برابر بارهای ثقلی و جانبی نمی توان متصور شد.

برای طراحی اتصالات فولادی می توان از نرم افزارهایی همچون آیدیا استاتیکا (IDEA StatiCa)، RAM Connection و … استفاده کرد. اما استفاده از این نرم افزارها مستلزم صرف وقت و زمان جهت یادگیری محیط نرم افزار می باشد. از طرفی تمام ضوابط مدنظر مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در این نرم افزارها رعایت نمی شود

در این مقاله ابتدا انواع اتصالات سازه های فولادی معرفی شده و در ادامه جزئیات هر کدام از آن ها به تفضیل بیان می شود. مراحل طراحی هر یک از انواع اتصالات در سازه های فولادی نیز آموزش داده خواهد شد.

انواع اتصالات در سازه های فولادی بر اساس محل اتصال:

• اتصال ستون به کف ستون
• اتصال تیر به ستون
• اتصال تیر به تیر (وصله تیر)
• اتصال ستون به ستون (وصله ستون)
• اتصال مهاربندها

انواع اتصالات در سازه های فولادی بر اساس نوع وسیله اتصال:

• اتصلات جوشی
• اتصالات پیچی
• اتصالات پرچی

انواع اتصالات در سازه های فولادی بر اساس گیرداری:

• اتصالات مفصلی یا ساده (گیرداری تا 20%):
  

در این نوع اتصال امکان چرخش تیر نسبت به ستون وجود دارد و به همین دلیل لنگر از تیر به ستون منتقل نمی شود. اما به دلیل مقاومت در مقابل نیروی برشی و طراحی اتصال بر این اساس، این نوع اتصال را اتصال برشی يا قیچی نیز می نامند.

• اتصالات نیمه گیردار یا نیمه صلب (گیرداری بین 20% تا 90%):

اگر در یک اتصال مفصلی امکان دوران تیر نسبت به ستون را تا حدودی محدود نماییم، مقداری لنگر از تیر به ستون انتقال می یابد که اتصال نیمه گیردار را به وجود می آورد. برای اجرای این اتصال می توان از ترکیب ورق و نبشی استفاده نمود.

• اتصالات گیردار یا صلب (گیرداری بیشتر از 90%):
  

در این نوع اتصال، از اماکن چرخش تیر نسبت به ستون به شدت کاسته می شود و تقریباً به صفر مي رسد. به همین دلیل هم لنگر و هم نیروی برشی از تیر به ستون منتقل می شود. برای طراحی و اجرای این نوع اتصالات می توان از جزئیات از پیش تأیید شده در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان استفاده نمود.

اتصالات مفصلی تیر به ستون

اتصال مفصلی تیر به ستون یکی از پرکاربردترین اتصالات در سازه های فولادی است که در قاب های فولادی ساده و مهاربندی استفاده می می شود. اتصال مفصلی تیر به ستون به اشکال مختلفی مانند اتصال با نبشی نشیمن، اتصال با نبشی جان و اتصال با سخت کننده ذوزنقه ای یا مثلثی قابل اجرا بوده که روند طراحی هر یک از این اتصالات متفاوت با دیگری می باشد.

سوال مهم این است که اتصال مفصلی تیر به ستون برای چه نیروی برشی باید طراحی شود؟ در پاسخ باید گفت که این نوع اتصال را می توان بر اساس ظرفیت برشی تیر (دیدگاه ظرفیتی) یا نیروی برشی موجود در تیر (دیدگاه نیرویی) انجام داد. در هر حال به منظور طراحی اتصال مفصلی تیر به ستون می توان از هر یک از سه مقدار زیر استفاده نمود:

• حداکثر عکس العمل تکیه گاهی در انتهای تیر که از نتایج تحلیل سازه در نرم افزار ETABS به دست می آید.
• 75 درصد ظرفیت برشی تیر (رویکرد قدیمی و دست بالا)

• برش ناشی از ایجاد مفصل پلاستیک در وسط دهانه

1- اتصال مفصلی تیر به ستون با نبشی نشیمن

این نوع اتصال هم به صورت پیچی و هم به صورت جوشی قابل استفاده است. اما حالت جوشی آن متداول تر و پرکاربردتر است. در این حالت، نبشی نشیمن در کارخانه و روی شاسی در تراز مورد نظر به ستون جوش می شود و در زمان نصب تیر، بال پایینی تیر روی آن قرار می گیرد. نبشی بالایی تیر که فقط جنبه اجرایی داشته و جلوی حرکت و واژگونی تیر را می گیرد، پس از نصب تیر بر روی بال فوقانی آن جوش می شود.

مراحل طراحی اتصال مفصلی تیر به ستون با نبشی نشیمن به شرح زیر است:

• تعیین طول تماس نبشی نشیمن
• کنترل برش و خمش در مقطع بحرانی ساق افقی نبشی نشیمن
• تعیین بعد جوش اتصال نبشی نشیمن به ستون
• کنترل تسلیم برشی و گسیختگی برشی در لبه متصل به ستون نبشی نشیمن
• تعیین مشخصات نبشی فوقانی
• تعیین بعد جوش اتصال بال تحتانی تیر به نبشی نشیمن

2- اتصال مفصلی تیر به ستون با نبشی دوبل در جان تیر

در این نوع اتصال که به اتصال تودلی هم معروف است، برای انتقال برش از دو عدد نبشی در جان تیر استفاده می شود. از این نوع اتصال برای اتصال تیرهای فرعی به تیرهای اصلی نیز می توان استفاده کرد

مراحل طراحی اتصال مفصلی تیر به ستون با نبشی دوبل در جان تیر به شرح زیر است:

• کنترل برش در نبشی ها
• تعیین بعد جوش متصل به تیر
• تعیین بعد جوش متصل به ستون
• کنترل تسلیم برشی و گسیختگی برشی در لبه نبشی ها
• کنترل تسلیم برشی و گسیختگی برشی در جان تیر

3- اتصال مفصلی تیر به ستون با سخت کننده ذوزنقه ای

زمانی که مقدار عکس العمل تکیه گاهی بزرگ باشد، اتصال تیر به ستون با سخت کننده ذوزنقه ای کاربرد بیشتری دارد.

مراحل طراحی اتصال مفصلی تیر به ستون با سخت کننده ذوزنقه ای به شرح زیر است:

• تعیین حداقل طول نشیمن
• تخمین و انتخاب طول ورق های نشیمن
• تخمین و انتخاب ضخامت ورق های نشیمن
• تعیین بعد جوش اتصال ورق های نشیمن به ستون
• کنترل تسلیم برشی و گسیختگی برشی در لبه ورق ذوزنقه ای شکل
• تعیین مشخصات نبشی فوقانی
• تعیین بعد جوش اتصال بال تحتانی تیر به ورق نشیمن افقی
• تعیین بعد جوش اتصال ورق ذوزنقه ای شکل به ورق نشیمن افقی

4- اتصال مفصلی تیر به ستون با سخت کننده مثلثی

این نوع اتصال مشابه حالت قبلی می باشد. 

مراحل طراحی اتصال مفصلی تیر به ستون با سخت کننده مثلثی به شرح زیر است:

• تعیین حداقل طول نشیمن
• تخمین و انتخاب طول ورق های نشیمن
• تخمین و انتخاب ضخامت ورق های نشیمن
• تعیین بعد جوش اتصال ورق مثلثی شکل به ستون
• کنترل تسلیم برشی و گسیختگی برشی در لبه ورق مثلثی شکل
• تعیین مشخصات نبشی فوقانی
• تعیین بعد جوش اتصال بال تحتانی تیر به ورق نشیمن افقی
• تعیین بعد جوش اتصال ورق مثلثی شکل به ورق نشیمن افقی

اتصالات گیردار تیر به ستون

 1- اتصال گیردار جوشی به کمک ورق های روسری و زیرسری (WFP)

یکی از رایج ترین و پرکاربردترین اتصالات جوشی پیش تایید شده، اتصال گیردار جوشی با ورق های روسری و زیرسری می باشد. استفاده از این نوع اتصال که به اتصال کله گاوی یا اتصال WFP هم معروف است، فقط در قاب های خمشی متوسط قابل استفاده است.

اتصال کله گاوی از طریق جوش دادن ورق های روسری و زیرسری به بال ستون و بال تیر ساخته می شود. ضمناً در این نوع اتصال جان تیر نیز از طریق ورق یا ورق های جان یا جفت نبشی به بال ستون متصل می شود. همچنین به منظور تقویت بال و جان ستون، ممکن است از ورق های پیوستگی و ورق های مضاعف نیز استفاده شود.

در اتصال WFP، استفاده از مقاطع نورد شده I یا H شکل و مقاطع ساخته شده دارای مقطع I یا H شکل به عنوان تیر مجاز است. عمق مقطع تیر نباید از 90 سانتی متر و ضخامت بال مقطع تیر نباید از 3 سانتی متر بیشتر باشد.

در این نوع اتصال، استفاده از مقاطع نورد شده H شکل، مقاطع ساخته شده H شکل، جعبه ای ساخته شده از ورق یا ساخته شده از مقاطع H شکل همراه با ورق های کناری و مقطع صلیبی ساخته شده از ورق یا ساخته شده از نیمرخ های نوردشده به عنوان ستون مجاز است.

مراحل طراحی اتصال گیردار کله گاوی با ورق روسری و زیرسری به شرح زیر است:

• کنترل محدودیت های تیر و ستون
• تعیین ابعاد و ضخامت اولیه ورق های روسری و زیرسری
• تعیین مقاومت های مورد نیاز برای طراحی اتصال
• کنترل ابعاد و ضخامت ورق های روسری و زیرسری
• کنترل تسلیم برشی و گسیختگی برشی فلز پایه در محل جوش ورق روسری و زیرسری به بال های تیر
• تعیین ابعاد نبشی دوبل و کنترل برش در نبشی
• تعیین بعد جوش اتصال نبشی به جان تیر و بال ستون
• کنترل تسلیم برشی و گسیختگی برشی در لبه های نبشی و جان تیر
• تعیین پهنا و ضخامت ورق های پیوستگی و ورق های مضاعف

2- اتصال گیردار پیچی به کمک ورق های روسری و زیرسری (BFP)

پرکاربردترین نوع اتصال پیچی تیر به ستون در قاب های خمشی فولادی، اتصال با ورق روسری و زیرسری است که به اتصال BFP هم معروف است. اتصال BFP از طریق جوش دادن ورق های روسری و زیرسری به بال ستون و پیچ کردن آن ها به بال تیر ساخته می شود. ضمناً در این نوع اتصال، جان تیر نیز از طریق یک ورق تکی به بال ستون متصل می شود. همچنین به منظور تقویت بال و جان ستون، ممکن است از ورق های پیوستگی و ورق های مضاعف نیز استفاده شود.

مراحل طراحی اتصال گیردار پیچی با ورق روسری و زیرسری به شرح زیر است:

• طراحی ورق های روسری و زیرسری
• کنترل محدودیت های تیر و ستون
• تعیین چیدمان پیچ ها و ابعاد و ضخامت ورق های روسری و زیرسری
• کنترل فواصل سوراخ ها از یک دیگر و از لبه ورق
• محاسبه مقاومت اتکایی و پارگی
• محاسبه مقاومت برشی پیچ در اتصال لغزش بحرانی
• کنترل اولیه تعداد پیچ های مورد نیاز
• تعیین مقاومت های مورد نیاز برای طراحی اتصال
• کنترل نهایی تعداد پیچ ها و ضخامت مورد نیاز ورق های روسری و زیرسری
• کنترل مقاومت کششی ورق های روسری و زیرسری
• کنترل مقاومت برش قالبی بال تیر و ورق های روسری و زیرسری
• کنترل کمانش فشاری ورق های روسری و زیرسری
• طراحی ورق تکی جان
• تعیین قطر پیچ ها و سوراخ ها
• تعیین چیدمان پیچ ها و ابعاد و ضخامت ورق تکی جان
• کنترل فواصل سوراخ ها از یک دیگر و از لبه ورق
• کنترل مقاومت برشی پیچ ها
• کنترل مقاومت برش قالبی ورق تکی جان
  
• تعیین پهنا و ضخامت ورق های پیوستگی و ورق های مضاعف

3- اتصال گیردار تیر با مقطع کاهش یافته (RBS)

یکی از انواع اتصالات گیردار تیر به ستون، اتصال گیردار تیر با مقطع کاهش یافته می باشد که به اتصال RBS نیز معروف است. در این نوع اتصال، قسمتی از بال تیر در مجاورت اتصال آن به ستون بر اساس محدودیت های آیین نامه ای کاهش می یابد. هدف از این اقدام این است که تسلیم و تشکیل مفاصل پلاستیک به طور عمده در این قسمت از تیر اتفاق بیافتد.

مراحل طراحی اتصال گیردار تیر با مقطع کاهش یافته به شرح زیر است:

• کنترل تیر در مقطع کاهش یافته و در محل اتصال به ستون
• تعیین مقادیر اولیه مقطع کاهش یافته
• تعیین مقاومت های مورد نیاز برای طراحی اتصال
• کنترل تیر در محل مفصل پلاستیک برای خمش
• کنترل تیر در محل اتصال به ستون برای خمش
• کنترل تیر برای برش
  
• طراحی ورق تکی جان (در قاب خمشی متوسط)
• تعیین قطر پیچ ها و سوراخ ها
• تعیین چیدمان پیچ ها و ابعاد و ضخامت ورق تکی جان
  کنترل فواصل سوراخ ها از یک دیگر و از لبه ورق
  کنترل مقاومت برشی پیچ ها
  کنترل مقاومت برش قالبی ورق تکی جان
  کنترل مقاومت اتکایی در محل سوراخ ها
  کنترل مقاومت پارگی در محل سوراخ ها
  3) طراحی ورق های پیوستگی و ورق های مضاعف
  کنترل خمشی موضعی بال ستون در مقابل نیروی متمرکز کششی
  کنترل تسلیم موضعی جان ستون در برابر نیروی متمرکز کششی و فشاری
  کنترل چروکیدگی موضعی جان ستون در مقابل نیروی متمرکز فشاری
  تعیین پهنا و ضخامت ورق های پیوستگی
  کنترل برش چشمه اتصال
  تعیین ضخامت ورق های مضاعف

4- اتصال گیردار فلنجی چهار یا هشت پیچی با یا بدون ورق لچکی (BUEEP و BSEEP)

پرکاربردترین نوع اتصال تیر به ستون در قاب های خمشی فولادی با اتصالات پیچی، اتصال فلنجی یا ورق انتهایی است که به اتصال End Plate هم معروف است. این نوع اتصال می تواند به صورت چهار پیچی یا هشت پیچی طراحی و اجرا شود.

اتصال فلنجی یا ورق انتهایی با جوش دادن تیر به ورق انتهایی در کارخانه و پیچ کردن این ورق به بال ستون در کارگاه ساخته می شود. اتصال فلنجی را می توان به صورت چهار پیچی یا هشت پیچی طراحی و اجرا کرد. هم چنین می توان در این نوع اتصال از ورق های لچکی (سخت کننده) نیز استفاده کرد. به منظور تقویت بال و جان ستون، ممکن است ورق های پیوستگی و ورق های مضاعف نیز مورد استفاده قرار گیرند.

منابع:

مبحث دهم مقررات ملی ساختمان 

کتاب طراحی سازه های فولادی نوشته دکتر اباذر اصغری

کتاب طراحی سازه‌های فولادی نوشته دكتر مجتبی ازهری و دكتر سیدرسول میرقادری

کتاب طراحی انواع اتصالات سازه های فولادی نوشته دکتر نادر فنائی