وسایل اتصال، روش های اتصال قطعات فلزی، وسایل اتصال در سازه های فولادی، اتصالات جوشی سازه های فولادی، اتصالات پیچی سازه های فولادی

هر ساختمان فلزی ترکیبی از اعضای جدا از هم است كه باید با روش‌های مناسبی به یکدیگر متصل شوند.‌ برای اتصال قطعات فولادی برحسب مورد از وسایل اتصال مختلف شامل پرچ، پیچ و جوش استفاده می‌شود.

پرچ

پرچ از قدیمی‌ترین وسایلی است که از آن برای اتصال اعضای سازه‌های فلزی استفاده می شود. یک پرچ کوبیده نشده از یک تنه استوانه‌ای کوچک که سر آن دارای کلاهک می‌باشد، تشکیل شده است. پرچ‌ها معمولاً از فولاد معمولی ساخته میگردند روش کوبیدن پرچ بدین ترتیب است که ابتدا آن را تا دمای سرخ شدن گرم می‌کنند، سپس آن را توسط انبر مخصوصی درون سوراخ اتصال قرارداده و با ثابت نگه داشتن سر کلاهک دارآن، سر دیگر را می‌کوبند تا به فرم کلاهک درآید و پرچ محکم شود. در طی این مراحل تنه پرچ، به طور کامل سوراخی را که در آن فرورفته، پر می‌کند. در حین سرد شدن، پرچ منقبض می‌شود که این انقباض باعث به وجود آمدن نیروی پیش تنیدگی در پرچ می‌شود.

امروزه پرچ‌کاری به دلایل زیر از رونق افتاده است :

• تولید پیچ‌های پرمقاومت
• احتیاج به نظارت دقیق
• پیشرفت فناوری جوشکاری
• احتیاج به نیروی انسانی زیاد و ماهر برای پرچکاری
• تولید سروصدای زیاد در هنگام کوبیدن و خطر آتش سوزی در کارگاه

رفتار اتصالات پرچی

رفتار اتصالات پرچی به گونه‌ای است که با سرد شدن پرچ، در آن تمایل به کاهش طول پیدا می‌شود. اما تماس بین کلاهک پرچ با صفحه اتصال، با این تمایل مخالفت می‌کند که این موضوع باعث به وجود آمدن یک نیروی کششی در پرچ می‌شود که به آن نیروی پیش تنیدگی می‌گویند و در اثر این نیروی کششی صفحات اتصال به همدیگر فشرده می‌شوند. نيروی اصطكاک بين دو ورق از لغزش آن‌ها بر روی هم جلو گيری می‌كند. اما از آنجایی که در پرچکاری مقدار نیروی پیش کشیدگی در پرچ بسته به وضعیت پرچکاری بسیار متغیر است، نیروی اصطکاک هم وضعیت تثبیت شده‌ای نخواهد داشت.

پیچ

یک اتصال پیچی از نظر اجرایی، سریعتر و عملی‌تر از سایر اتصالات است و با توجه به سرعت و آسانی اجرا بر دیگر اتصالات برتری دارد. اجزای تشکیل دهنده هر اتصال پیچی شامل سرپیچ، تنه پیچ، واشر و مهره است.

انواع پیچ

1- پیچ‌های معمولی

پیچ‌های معمولی که از آن‌ها فقط در اتصالات اتکایی استفاده می‌شود، از فولاد با تنش نهایی از ۴۰۰۰ تا ۵۰۰۰ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع ساخته می‌شود. این نوع پیچ، ارزا‌نترین نوع پیچ است، اما معلوم نیست اتصالی که با آن ساخته می‌شود، ارزا‌نترین باشد؛ زیرا به علت پایین بودن مقاومت، تعداد آن نسبت به پیچ‌های پرمقاومت بیشتر است. این نوع پیچ‌ها در ساختمان سازی سبک، اعضای مهاربندها و اعضای درجه دوم، خرپاهای کوچک، لاپه‌ها و کلیه اعضایی که بار وارد بر آن‌ها سبک و استاتیکی است، و همچنین در عملیات مونتاژ مورد استفاده قرار می‌گیرند.

2- پیچ‌های پرمقاومت

پیچ‌های پرمقاومت که از آ‌نها در اتصالات اتکایی و اصطکاکی استفاده می‌شود، از فولادهای پرمقاومت با مقاومت نهایی ۸۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ کیلوگرم بر سانتیمترمربع ساخته می‌شوند. قطر پیچ‌های پرمقاومت بین ۱۲ تا ۳۸ میلی متر بوده که استفاده از قطرهای ۲۰ و ۲۲ میلی متر در ساختمان سازی معمول‌تر است. مشخصه مهم پیچ‌های پرمقاومت در این است که با سفت کردن معین مهره‌های آن‌ها، یک نیروی پیش تنیدگی در آن‌ها ایجاد می‌شود.

انواع سوراخ در ورق اتصال

انواع سوراخ مورد استفاده در اتصال پرچی و پیچی به شرح زیر است.

• سوراخ استاندارد
• ‌سوراخ فراخ (بزرگ)
• ‌لوبیایی کوتاه
• ‌لوبیایی بلند

سوراخ‌های فراخ فقط در اتصالات اصطکاکی مجاز هستند. سوراخ‌های لوبیایی کوتاه در تمام حالات در اتصالات اصطکاکی مجاز هستند و در اتصالات اتکایی باید عمود بر امتداد نیرو باشد. سوراخ‌های لوبیایی بلند در اتصالات اتکایی فقط در امتداد عمود بر مسیر نیرو مجاز هستند و در اتصالات اصطکاکی فقط می‌توانند در یکی از ورق‌های اتصال در هر امتداد اختیاری وجود داشته باشند.

رفتار برشی پیچ‌ها در اتصالات اتکایی

ساد‌ه‌ترین وسیله برای انتقال نیرو از یک عضو فولادی به عضو دیگر، استفاده از پیچ‌های با عملکرد اتکایی است. در حین انتقال نیرو از اتصال، بین تنه پیچ و جدار سوراخ، فشار تماسی زیادی که به تنش لهیدگی مشهور است، به وجود می‌آید. در این نوع اتصالات اصطکاک ناچیزی بین ورق‌ها وجود خواهد داشت.

پیچ‌ها در اتصالات اصطکاکی

رفتار یک پیچ پرمقاومت اصطکاکی بسیار شبیه پرچ است. اگر پیچ طبق یکی از روش‌های استاندارد محکم شود، نیروی پیش تنیدگی آن مقدار مشخصی خواهد داشت. از آنجا که در این نوع اتصالات، نیروی اصطکاک ناشی از نیروی پیش‌کشیدگی توانایی انتقال نیروها را بین دو قطعه دارد، تحت بارهای خدمت، بین تنه پیچ و جدار سوراخ، نیروی لهیدگی ایجاد نمی‌شود.

ایجاد نیروی پیش تنیدگی در پیچ‌های پرمقاومت

1- استفاده از آچارهای مدرج (تُرک متر)

در این روش توسط آچارهای دستی و یا مکانیکی مخصوصی که در روی آن‌ها وسیله‌ای برای اندازه گیری لنگر پیچشی وارد بر مهره وجود دارد، لنگر پیچشی مشخصی بر مهره وارد می‌آورند. سفت کردن مجدد مهره‌ها به مقدار معین بعد از محکم شدن اولیه آن‌ها، ارزان‌ترین و قابل اطمینا‌نترین روشی است که برای ایجاد نیروی پیش تنیدگی در پیچ‌ها وجود دارد.

2- ‌سفت کردن مجدد مهره‌ها به مقدار معین، بعد از محکم شدن اولیه آن‌ها

در این روش بعد از اینکه پیچ به طور اولیه محکم شد، مهره را به مقدار مشخصی مجدداً سفت می‌نمایند که این عمل باعث به وجود آمدن کرنش مشخصی در پیچ می‌شود. اگر برای سفت کردن مهره‌ها از روش‌های دستی استفاده نمایید، محکم شدن اولیه وقتی است که یک کارگر معمولی با یک آچار معمولی، کوشش کامل خود را برای سفت کردن پیچ به کار ببرد. در روش‌های ماشینی، محکم شدن اولیه پس از وارد شدن چند ضربه توسط دستگاه ایجاد می‌شود.

ساز و کار خرابی پیچ و پرچ

با افزایش بار در یک اتصال اتکایی یا اصطکاکی، نیروی اصطکاک دیگر قادر به مقابله با بارهای وارده نیست. از این لحظه به بعد، نیروهای مقابله کننده همان تنش‌های لهیدگی بین تنه و جدار سوراخ و تنش برشی در پیچ خواهد بود.

فاصل سوراخ ها در ورق های اتصال

فاصله مرکز به مرکز پیچ‌ها از یکدیگر نباید در هیچ حالتی از ۳ برابر قطر آن‌ها کمتر باشد. حداقل فاصله مرکز پیچ از لبه ورق ۲ برابر قطر پیچ در نظر گرفته می‌شود. حداکثر فاصله پیچ تا لبه نباید از ۱۲ برابر ضخامت ورق ناز‌کتر تجاوز نماید، ضمناً نباید این فاصله از ۱۵ سانتیمتر بیشتر شود.

جوش

جوشکاری عبارت است از اتصال و یکپارچه کردن مصالح به یکدیگر به کمک حرارت، با و یا بدون استفاده از فشار و یا مواد پرکننده اضافی. به مصالحی که باید به هم متصل گردند فلز مبنا و به ماده ای که این اتصال را برقرار می سازد فلز پرکننده یا فلز جوش گفته می شود. برای ذوب فلز مبنا و فلز جوش، حرارت به کار می رود تا مواد به صورت سیال در آمده و تداخل آن ها امكان پذير شود. معمول ترین روش های جوشکاری، خصوصاً برای جوش فولاد ساختمانی، استفاده از انرژی برق به عنوان منبع حرارتی است و بدین منظور اغلب از قوس الکتریکی استفاده می شود.

قوس الکتریکی عبارت است از تخلیه جریان نسبتاً بزرگ، بین فلز جوش (الکترود یا سیم جوش) و فلز مبنا که از میان ستونی از مواد گازی یونیزه به نام پلاسما انجام می پذیرد. در جوش 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

جوشکاری با استفاده از قوس الکتریکی با الکترود روکشدار یکی از مهمترین، ساده ترین و شاید کارآمدترین روش هایی است که برای اتصال فولاد ساختمانی به کار می رود. در محاورات فنی، این روش به نام جوش دستی با الکترود خوانده می شود.

حرارت لازم، با برقرار نمودن قوس الکتریکی بین الکترود روکشدار و اجزایی که باید متصل شوند، ایجاد می گردد.

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 گاز محافظ و قسمت دیگر آن به گِل جوشکاری تبدیل می گردد. روکش، مخلوطی گِل مانند از سیلیکات های سختک‌ننده و مواد دیگری، مانند فلورایدها، کربنات ها، اکسیدها، آلیاژهای فلزی و سلولز است. این مخلوط، پخته و فشرده شده تا روکش سخت، خشک و متراکم را به وجود آورد.

وظایف روکش الکترود

1. با ایجاد سپرگازی، هوا را جداساخته، قوس را تثبیت میکند.
2. مواد دیگری مانند احیاکننده ها را وارد فلز جوش می نماید تا بافت ساختمانی آن را بهبود بخشد.
3. با ایجاد یک روکش از گل جوشکاری روی حوضچه مذاب و جوش سخت شده، آن ها را در مقابل اکسیژن و نیتروژن هوا محافظت کرده، در ضمن مانع سرد شدن سریع جوش می گردد.

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 سیم جوش توپودری که برای تشریح آن ها باید به کتب تخصصی مراجعه نمود. در این روش ها، الکترود به صورت مفتول پیوسته عاری از روکش بوده و عمل پوشش را پودر و یا گاز CO2 انجام می دهد.

جوش پذیری فولادهای ساختمانی

اغلب فولادهای ساختمانی استاندارد را می توان بدون تدابیر خاص و استفاده از روش های معین جوشک اری نمود. جوش پذیری فولاد، معرف درجه سهولت ایجاد یک اتصال ساختمانی سالم و بدون ترک است. بعضی انواع فولادهای ساختمانی برای جوشکاری از انواع دیگر مناسب ترند.

انواع اتصالات جوشی

اگر چه در عمل انواع و ترکیبات مختلفی از انواع اتصال یافت می شود، ولی پنج نوع اتصال جوشی اصلی وجود دارد که عبارتنداز ل ببه لب، رویهم،سپری، گونیا و پیشانی.

اتصال لب به لب (Butt Joint)

اتصال لب به لب اغلب برای متصل ساختن انتهای ورق های مسطح با ضخامت های نسبتاً مساوی مورد استفاده قرار می گیرد. امتیاز این نوع اتصال اجتناب از خروج از مرکزیتی است که در اتصالات روی هم یک طرفه به وجود می آید. وقتی که در اتصال لب به لب از جوش شیاری با نفوذ کامل استفاده شود، اندازه اتصال به حداقل خود رسیده و ظاهر آن بسیار خوشایندتر از انواع دیگر اتصالات می گردد.

اتصال پوششی یا روی هم (Lap Joint)

معمول ترین نوع اتصال است.که دارای مزیت های همچون سادگی جفت و جور کردن (ساخت قطعات این نوع اتصال احتیاج به وقت زیاد، به میزانی که در انواع دیگر اتصالات جوشی مورد نیاز است، ندارد. قطعات می توانند برروی هم کمی جابجا گردند تا خطاهای کوچک ساخت را پوشانده یا تنظیم طول را عملی سازند.) و سادگی اتصال دادن (لبه های قطعات متصل شونده احتیاج به آمادگی خاصی ندارند و اغلب برش عادی خورده یا با شعله بریده می شوند. در اتصال پوششی اغلب از جوش گوشه استفاده می گردد.) میباشد.

اتصال سپری (Tee Joint)

این نوع اتصال در ساخت نیمرخ های مرکب به شکل T و I، تیر ورق ها ، سخت کنند های تحت بار، آویز ها نشیمن های طاقچه ای و عموماً قطعاتی که با زاویه با هم جفت می گردند کاربرد دارد.

اتصال گونیا (Corner Joint)

اتصال گونیا عمدتاً در ساخت مقاطع جعبه ای مستطیل شکلی که تیرها و ستون های مقاوم در برابر پیچش را تشکیل می دهند، مورد استفاده قرار می گیرد.

اتصال پیشانی (Edge Joint)

اتصال پیشانی اغلب نقش سازه ای به عهده ندارد و مورد استفاده آن معمولاً در نگهداری دو یا چند صفحه در یک سطح و یا نگهداری امتداد اولیه عضو است.

انواع جوش

انواع جوش عبارتنداز: جوش شیاری، جوش گوشه، جوش کام و جوش انگشتانه هر نوع جوش مزیت هایی مخصوص به خود دارد که دامنه کاربرد آن را تعیین می نماید. نسبت تقریبی استفاده از این چهار نوع جوش در ساخت اتصالات ساختمانی به این ترتیب است: جوش شیاری 15 درصد، جوش گوشه 80 درصد و 5 درصد بقیه موارد، جوش های کام و انگشتانه و انواع دیگری از جوش های مخصوص به کار می روند.

جوش 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 ی این جوش متصل می شوند مورد استفاده قرار می گیرد، 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 در تمام عمق قطعات متصل شونده گسترش نیابد، به چنین جوشی، جوش شیاری با نفوذ نسبی اطلاق می شود. در طراحی این جوش ها الزامات خاصی را باید در نظر داشت. لبه درز جوش در اغلب جوش های شیاری باید به طرز مخصوصی آماده گردد.

جوش گوشه

جوش گوشه به خاطر اقتصادی بودن آن، سادگی به کارگیری و قابلیت استفاده از آن در اغلب موارد جوشکاری، بیشتر از تمام انواع دیگر جوش بیشتر به کار می رود. در این نوع اتصالات به خاطر روی هم گذاری قطعات احتیاج به دقت کمتری در جفت و جور کردن می باشد، در حالی که در مورد جوش شیاری باید قطعات را به دقت در یک امتداد قرارداد و شکافی در ریشه ی جوش بین آنها باقی گذاشت. جوش گوشه به خصوص برای جوشکاری در محل نصب و یا برای جفت کردن دوباره ی اعضا یا اتصالاتی که قبلاً با رواداری های قابل قبولی ساخته شده اند ولی موقع نصب دقیقاً با هم جفت و جور نمی شوند، از مزیت های زیادی برخوردار است.

جوش کام و انگشتانه

جوش های کام و انگشتانه را میتوان به تنهایی و یا در ترکیب با جوش گوشه به کار گرفت. یکی از موارد استفاده ی جوش کام و انگشتانه، انتقال برش در اتصالات پوششی است که طول جوش گوشه یا دیگر انواع جوش جوابگو نباشد. همچنین از این نوع جوش ها برای جلوگیری از کمانش قسمت های روی هم گذاشته شده، استفاده می شود.