صفحه اصلی  »  طراحی سازه های ساختمانی و صنعتی  »  طراحی اتصالات  »  طراحی اتصالات پیچی سازه های فولادی به همراه 4 مثال جامع و دانلود رایگان یک ویدئو آموزشی

طراحی اتصالات پیچی سازه های فولادی به همراه 4 مثال جامع و دانلود رایگان یک ویدئو آموزشی

قطعا شما انواع اتصالات فولادی را می شناسید و می دانید که یکی از انواع این اتصالات، اتصال پیچی می باشد اما به نظر شما اتصال پیچی مناسب است یا اتصال جوشی؟ طراحی اتصال پیچی سازه های فولادی چگونه است؟ آیا نوع نیرو ها در مراحل طراحی تاثیر گذار خواهند بود؟

در این مقاله جامع ابتدا با اتصال پیچی آشنا می شویم و در قالب یک ویدئو رایگان تمامی نکات را بیان خواهیم کرد که پیشنهاد می کنم حتما یک بار این ویدئو کاربردی را مشاهده کنید و سپس با 4 مثال جامع گام به گام به طراحی اتصالات پیچ و مهره ای اتکایی و اصطکاکی می پردازیم.

 

با مطالعه این مقاله چه می آموزیم؟

اتصالات فولادی

برای شروع، قبل از هر چیز لازم است تا ابتدا انواع اتصالات فولادی (اتصالات پیچی و جوشی) را یک بار دیگر نام ببریم. اتصالات فولادی در مورد نحوه انتقال لنگر خمشی تیر به ستون، سه عملکرد می‌توانند داشته باشند:

  1. عملکرد مفصلی
  2.  عملکرد صلب (گیردار)
  3.  عملکرد نیمه صلب

که بحث این مقاله به طور خاص، اتصالات پیچی سازه های فولادی می باشد.

اتصال پیچی یا جوشی؟!

قبل از اینکه طراحی اتصالات پیچی سازه های فولادی را یاد بگیریم، بهتر است ابتدا مزایا و معایب اتصالات پیچی سازه‌ ها را بدانیم و همینطور اطلاعاتی را در رابطه با اتصالات جوشی نیز داشته باشیم.

استفاده از جوش برای اتصال، مشکلات خاص خود را دارد که به صورت خلاصه می توان گفت:

  • جوشکاری باید توسط استاد کاران ماهر انجام شده و جوش اجرا شده مورد بازرسی‌ های لازم بر اساس نوع آن قرار گیرد.
  • بازرسی جوش عملیاتی دقیق، زمان‌ گیر و پر هزینه است.
  • جوش‌ ها در همه بخش‌ ها بایستی منطبق بر اطلاعات نقشه بوده و از لحاظ بُعد و طول جوش مناسب باشند و  همچنین کنترل کیفیت بشوند.

امروزه استفاده از پیچ به‌ عنوان یک وسیله مناسب و قابل‌ اطمینان در ساخت و اجرای سازه‌ های فولادی بسیار رایج و متداول شده است زیرا:

  • مصالح پیچ‌ ها دارای مقاومت گسیختگی به‌ مراتب بالاتر از فولادهای ساختمانی معمولی هستند
  •  افزایش محسوس سرعتِ نصب سازه با استفاده از پیچ و مهره، نسبت به اتصالات جوشی
  • کاهش خطاهای حین نصب اتصالات سازه های فولادی
  • کیفیت بهتر، پایداری و مقاومت بیشتر ساختمان های پیچ و مهره ای در برابر زلزله و نیروی‌ های جانبی

اما استفاده از پیچ و مهره در اتصالات، معایبی هم دارد از جمله:

  • اجرای غلط و نامناسب سوراخ‌ ها و عدم انطباق و قرارگیری سوراخ‌ ها در ورق‌ های اتصال در مقابل هم برای عبور پیچ، از مهم‌ ترین معایب استفاده از پیچ و مهره‌ هاست.
  • محل سوراخ‌ کاری پیچ‌ ها، باید ابتدا، از لحاظ هندسی به‌ دقت تعیین شوند و اندکی خطا، باعث ایجاد مشکل در ورود پیچ می‌شود.

معرفی پیچ و بررسی ضوابط هندسی آن

آشنایی با اصطلاحات و اجزای پیچ

ابتدا با اجزا و نام‌گذاری قسمت‌های مختلف یک پیچ و مهره آشنا می‌شویم:

 

قسمت های مختلف یک پیچ و مهره

آشنایی با اجزای پیچ

 

دقت شود که منظور از قطر پیچ، قطر قسمت دندانه نشده‌ی پیچ است (و نه قطر کله‌ی پیچ) و همچنین طول پیچ، برابر با مجموع طول دندانه شده و دندانه نشده پیچ می‌باشد. پیچ‌ها نام‌گذاری‌های متفاوتی دارند و معمولاً نام هر پیچ را روی کله‌ی پیچ حک می‌کنند.

پیچ‌های معمولی و پر مقاومت

پیچ‌ ها از لحاظ مقاومت به دو دسته‌ی معمولی و پر مقاومت تقسیم می‌شوند. در جدول 10-2-9-6 از مبحث دهم، مشخصات مکانیکی و نام‌ گذاری‌های مختلف انواع پیچ‌ های موجود در بازار ایران ارائه‌ شده است. همان‌ طور که مشاهده می‌شود، استاندارد ASTM و ISO  نام‌گذاری متفاوتی دارند.

 

نام گذاری پیچ ها ی موجود در ایران بر اساس مقاومت آنها در دو استاندارد ASTM و ISO 

 

پیچ‌ های معمولی از جنس فولاد نرمه از نوع کم‌ کربن می‌باشند. در استاندارد  ASTM پیچ‌ های معمولی را با A307 نشان می‌دهند. قیمت این نوع پیچ‌ ها از پیچ‌های پر مقاومت کمتر بوده و غالباً در سازه‌ های سبک مانند خرپا های کوچک و سازه‌ های موقت و همچنین در اتصال مهاربندها و لاپه ها استفاده می‌شوند. پیچ‌ های معمولی از قطر 12 میلی‌متر (M12) تا 36 میلی‌متر (M36) در بازار یافت می‌شوند.

پیچ‌ های پر مقاومت از فولاد با کربن متوسط ساخته می‌شوند که طی عملیاتی، خود پیچ و مهره‌ ی آن به‌ وسیله عملیات مرغوب‌ سازی (حرارت دهی و سپس کاهش حرارت) تولید می‌شوند. در استاندارد ASTM پیچ‌های A325  و A490 از نوع پر مقاومت هستند. قطر پیچ‌ های پر مقاومت در محدوده 12 تا 38 میلی‌ متر در بازار یافت می‌شوند که در این‌ بین، پیچ‌های M20 و M22 در کارهای ساختمانی بسیار رایج هستند.

انتقال نیرو در اتصالات پیچی

پیچ‌ ها برای انتقال نیرو، رفتار برشی و رفتار کششی از خود نشان می‌دهند. در واقع دو حالت داریم:

  1. اگر پیچ‌ ها تحت نیروی برشی یا لنگر پیچشی قرار گیرند، در آن‌ها نیروی برشی ایجاد می‌شود
  2. اگر پیچ ها تحت نیروی کششی یا لنگر خمشی قرار گیرند، در آن‌ها نیروی کششی ایجاد می‌شود.

به همین دلیل طراحی پیچ‌ ها، بر مبنای دو حالت گسیختگی برشی و گسیختگی کششی انجام می‌شود که به آن خواهیم پرداخت.

 پیچ‌ها برای تنش فشاری، طراحی نمی‌شوند چون دو عضو از طریق تماس با یکدیگر، می‌توانند نیرو را منتقل کنند و به پیچ نیازی ندارند.

 

اگر به شکل زیر توجه کنیدمتوجه خواهید شد از لحاظ استاتیکی، پیچ‌های A تحت تأثیر نیروی برشی و لنگر پیچشی قرار دارند. لنگر پیچشی باعث ایجاد تنش برشی در پیچ‌ ها می‌شود. در نتیجه پیچ‌ های A تنها رفتار برشی از خود نشان می‌دهند. اما پیچ‌های B تحت تأثیر نیروی برشی و لنگر خمشی قرار دارند. لنگر خمشی باعث ایجاد تنش‌های کششی در پیچ‌ها می‌شود. بنابراین در این حالت، پیچ‌های B، هم رفتار برشی و هم رفتار کششی از خود نشان می‌دهند.

ایجاد نیروی کششی و برشی در اتصالات پیچی

پیچ های A و B

انواع عملکرد اتصالات پیچی

آنچه در طراحی پیچ‌ ها اهمیت زیادی دارد، تقسیم‌ بندی عملکردی پیچ‌ هاست. پیچ‌ ها از لحاظ عملکرد به دو دسته اتکایی و اصطکاکی تقسیم می‌شوند.

عملکرد اتصال اتکایی پیچ

در این نوع اتصال، وقتی نیروی کششی وارد می‌شود صفحات اتصال می‌ توانند به پیچ‌ ها تکیه بدهند. به عبارتی در این اتصال، لغزش جزئی بین صفحات اتصال مجاز است و عملاً به خاطر همین لغزش است که بدنه پیچ با جداره سوراخ تماس پیدا می‌کند و تنش‌ های لهیدگی در ورق و پیچ ایجاد می‌شود. هم‌ چنین ورق و پیچ نیز باید توانایی تحمل تنش‌های برشی را نیز داشته باشند.

در این اتصال، چنانچه بارها به‌ صورت استاتیکی به اتصالات اتکایی اعمال شوند چون جهت بار با زمان تغییر نمی‌کند، لغزش فقط یک‌ بار رخ می‌دهد. اما اعمال بارهای دینامیکی موجب لغزش صفحات اتصال در جهات مختلف شده و محل تماس بدنه پیچ با جداره سوراخ مرتباً عوض می‌شود. مطابق آیین‌ نامه‌ های طراحی، استفاده از اتصالات اتکایی تحت بارهای دینامیکی مانند زلزله مجاز نیست چون مقاومت این پیچ‌ها در برابر بارهای دینامیکی به‌ سرعت کاهش می‌یابد.

عملکرد اتصال اصطکاکی پیچ

اگر پیچ‌ ها بیش‌ از حد پیچانده شوند، در پیچ یک نیروی کششی پیش تنیدگی ایجاد می‌شود که تحت آن، ورق‌ های اتصال به یکدیگر دوخته می‌ شوند و در نتیجه امکان لغزش بین ورق‌ های اتصال و بدنه پیچ وجود نخواهد داشت. به دلیل این عدم لغزش، مقدار تنش‌ های لهیدگی در سوراخ و پیچ، صفر است، از این رو مقدار تنش برشی در پیچ‌ ها هم صفر خواهد بود ( البته شایان‌ ذکر است پیچ‌ های اصطکاکی در صورت زیاد بودن نیروی اتصال، می‌توانند عملکرد اتکایی نیز از خود نشان بدهند که در آن صورت تنش‌ های برشی صفر نخواهند بود). در اتصالات پیچی اصطکاکی، در واقع تنش اصطکاکی بین ورق اتصال و کله‌ی پیچ و مهره، باعث تحمل نیرو می‌شود. اتصال اصطکاکی پیچها تحت بارهای دینامیکی عملکرد بسیار مناسبی از خود نشان می‌دهند. البته باید توجه داشت که باز کردن و استفاده مجدد از پیچ‌هایی که به حد پیش تنیدگی رسیده‌اند، مجاز نیست. علاوه بر این، تنها مجاز به پیش‌ تنیده کردن پیچ‌ های پر مقاومت هستیم و از پیچ‌ های معمولی در اتصالات پیچی اصطکاکی استفاده نمی‌شود. میزان پیش تنیدگی در پیچ‌ها توسط آچارهای مدرج (تورک متر) کنترل می‌شود.

انواع سوراخ‌ها در اتصالات پیچی سازه های فولادی

در اتصالات پیچی، 4 نوع سوراخ استفاده می‌شود که در شکل 10-2-9-10 مبحث دهم معرفی‌شده‌اند.

 

انواع سوراخ در اتصالات پیچ و مهره ای سازه های فولادی منطبق بر مبحث دهم مقررات ملی ساختمان

 

حداکثر ابعاد مجاز این سوراخ‌ها برحسب میلی‌متر در جدول 10-2-9-8 آورده شده است که در آن، d قطر پیچ است.

 

حداکثر بعد استاندارد پیچ ها برای استفاده در اتصالات پیچی (ابعاد اسمی سوراخ پیچ ها)

 

 در بند 10-2-9-3-2-ب، شرایط استفاده از این سوراخ‌ ها ذکرشده است:

  • سوراخ‌های بزرگ‌ شده فقط در اتصالات پیچی اصطکاکی مجاز است.
  • سوراخ لوبیایی کوتاه در تمام امتدادها در اتصالات اصطکاکی پیچ ها مجاز هستند ولی در اتصالات اتکایی، امتداد طولی سوراخ باید عمود بر امتداد نیرو باشد.
  • سوراخ لوبیایی بلند فقط در امتداد عمود بر مسیر نیرو در اتصال اتکایی مجاز هستند. در اتصال اصطکاکی پیچ در تمام امتدادها مجاز بوده لیکن باید فقط در یکی از ورق‌ های اتصال وجود داشته باشد.

 

به شکل‌ های زیر در مورد سوراخ لوبیایی کوتاه و بلند توجه کنید:

 

سوراخ لوبیایی در اتصال اتکایی پیچ ها

 

چینش سوراخ‌ها در اتصالات پیچ و مهره ای

 

چینش سوراخ های اتصالات پیچی به صورت استاندارد و کنترل ابعاد آنها

نمایش فاصله مرکز تا مرکز سوراخ‌ها – فاصله مرکز سوراخ تا لبه

 

الف) محدودیت در فاصله مرکز تا مرکز سوراخ‌ها (center – center)

اگر فاصله مرکز تا مرکز سوراخ‌ها خیلی کم باشد، ورق اتصال از همان راستای سوراخ‌ها پاره می‌شود و اگر این فاصله خیلی زیاد باشد، عملاً پیچ‌ها کارایی ندارند و موجب تقویت اتصال نخواهند شد. بدین‌جهت، آیین‌نامه‌ها حداقل‌ها و حداکثرهایی را در نظر گرفته‌ اند.

مطابق بند 10-2-9-3-2-پ، حداقل فاصله مرکز تا مرکز سوراخ‌ های استاندارد، سوراخ‌ های بزرگ‌ شده و سوراخ‌ های لوبیایی نباید از 3 برابر قطر وسیلۀ اتصال (یعنی قطر پیچ d) کمتر باشد.

CCmin =3d

مطابق بند 10-2-9-3-2-ج، حداکثر فاصله مرکز تا مرکز سوراخ‌ها در اتصالات پیچی به شرح زیر است:

شرایط خوردگی کم و متوسط:             CCmin =24 tmin ≤ 300 mm

شرایط خوردگی شدید:            CCmin =14 tmin ≤ 200 mm

 

حداقل و حداکثر فاصله مرکز تا مرکز سوراخ های اتصالات پیچی سازه های فولادی

 

ب) محدودیت در فاصله مرکز سوراخ تا لبه ورق اتصال (center – edge)

اگر فاصله مرکز سوراخ تا لبه ورق خیلی کم باشد، ورق اتصال از همان لبه‌ی اتصال پاره می‌شود و اگر این فاصله خیلی زیاد باشد، بازهم عملاً پیچ‌ها کارایی ندارند و موجب تقویت اتصال نخواهند شد. در اینجا نیز، آیین‌ نامه‌ها حداقل‌ ها و حداکثر هایی را در نظر گرفته‌اند.

مطابق بند 10-2-9-3-2-ت، حداقل فاصلۀ مرکز سوراخ‌های استاندارد تا لبۀ قطعۀ متصل شونده نباید از مقادیر داده‌ شده در جدول 10-2-9-8 کمتر باشد. برای سوراخ‌ های بزرگ‌ شده و سوراخ‌ های لوبیایی فاصلۀ مرکز سوراخ تا لبه نباید از آنچه برای سوراخ استاندارد تعیین‌ شده به‌ اضافه مقدار C از جدول 10-2-9-9 کمتر شود.

 

حداقل ابعاد مرکز تا لبه سوراخ های لوبیایی و سوراخ استاندارد اتصالات پیچی

 

به‌ طور خلاصه، جدول زیر را می‌توان برای حداقل فاصله مرکز سوراخ تا لبه تهیه کرد:

 

حداقل فاصله مرکز انواع سوراخ پیچ تا لبه ورق در اتصالات پیچی (سوراخ استاندارد، سوراخ لوبیایی کوتاه و بلند)

 

مطابق بند 10-2-9-3-2-ث، حداکثر فاصله مرکز سوراخ تا لبه ورق، به شرح زیر است:

 

شرایط خوردگی کم و متوسط:             CEmin =12 tmin ≤ 150 mm

شرایط خوردگی شدید:            CEmin =8 tmin ≤ 125 mm

 

حداکثر فاصله مرکز سوراخ تا لبه ورق در اتصالات پیچی

 

آموزش اتصالات پیچی در قالب یک ویدئو

اگر با مطالبی که در بالا گفته شد کمی گیج شده اید اصلا نگران نباشید!! در این جا ویدئو رایگان و کاربردی را قرار می دهیم تا تمامی مطالب ذکر شده را در 8 دقیقه خلاصه کرده باشیم.برای فهم راحت تر مفهوم و ضوابط اتصالات پیچی حداقل یک بار ویدئو زیر را مشاهده کنید.

 

طراحی اتصالات اتکایی

اکنون وارد بحث طراحی اتصالات پیچی سازه های فولادی می‌شویم. برای طراحی کامل و کفایت یک اتصال پیچی در سازه فولادی، کنترل‌ هایی برای کفایت پیچ‌ها و نیز کنترل‌هایی برای کفایت اعضای در مجاورت اتصال (تیر، ستون، ورق) باید انجام شود. به شکل زیر نگاه کنید:

 

 

طراحی اتصالات اتکایی پیچی و انجام کنترل های اولیه

 

در این مقاله جامع، عمده بحث ما بر روی کنترل‌های مربوط به پیچ‌ها در محدوده الاستیک خطی خواهد بود و در تمرین‌ها، همواره فرض بر آن است که اعضای مجاورت اتصال، کفایت لازم را تحت نیروهای موجود دارند و قبلاً برای آن‌ها طراحی‌ شده‌ اند. البته در طراحی اتصال تسمه‌ های کششی توسط پیچ، کنترل مقاومت کششی و مقاومت برشی و مقاومت برش قالبی را نیز بررسی خواهیم کرد تا جامعیت مقاله حفظ شود.

کنترل مقاومت کششی طراحی

الف) اگر پیچ تنها تحت اثر کشش باشد:

محاسبات اتصالات پیچی

 

ب) اگر پیچ تحت تأثیر هم‌ زمان کشش و برش باشد:

 

 

 

در روابط بالا:

  • ضریب کاهش مقاومت Φ)= 0.75)
  • مقاومت (نیرو) کششی اسمی طراحی = Rnt
  • تنش کششی اسمی پیچ = Fnt (مطابق جدول 10-2-9-10)
  • تنش برشی اسمی پیچ =Fnv (مطابق جدول 10-2-9-10)
  • تنش برشی موردنیاز (اعمال‌شده) به پیچ = fuv
  • سطح مقطع اسمی پیچ = Anb

کنترل مقاومت برشی طراحی

الف) اگر پیچ تنها تحت اثر برش باشد:

 

ب) اگر پیچ تحت تأثیر هم‌ زمان کشش و برش باشد:

 

 

در روابط بالا:

  • ضریب کاهش مقاومتΦ) = 0.75)
  • مقاومت (نیرو) برشی اسمی طراحی = Rnv
  • تنش کششی اسمی پیچ = Fnt (مطابق جدول 10-2-9-10)
  • تنش برشی اسمی پیچ =Fnv (مطابق جدول 10-2-9-10)
  • تنش برشی موردنیاز (اعمال‌شده) به پیچ = fut
  • سطح مقطع اسمی پیچ = Anb

جدول تنش‌های کششی اسمی و تنش‌های برشی اسمی در شکل زیر آورده شده است:

 

تنش های کششی و برشی اسمی انواع پیچ ها و قطعات دندانه شده

 

در اتصالات پیچ و مهره ای، گاهی سطح برش از قسمت دندانه شده می‌گذرد و گاهی نمی‌گذرد. این دو حالت مطابق جدول بالا، در تعیین مقدار تنش برشی اسمی (Fnv) تأثیر گذار است. اتصالی که سطح برش از قسمت دندانه شده نمی‌گذرد، ظرفیت بیشتری دارد:

 

 

سطح برش در اتصالات پیچی

سطح برش در اتصالات پیچی

کنترل مقاومت لهیدگی در جدار سوراخ پیچ

الف) برای سوراخ استاندارد، سوراخ بزرگ‌ شده، سوراخ لوبیایی کوتاه و سوراخ لوبیایی بلند در حالتی که نیرو در امتداد طولی باشد:

کنترل مقاومت لهیدگی در جدار سوراخ پیچ های اتصالات پیچی سازه های فولادی

 

 

ب) برای سوراخ لوبیایی بلند در حالتی که نیرو در امتداد عرضی باشد (محور شکاف عمود بر امتداد نیرو باشد) :

 

 

که در روابط بالا:

  • قطر اسمی پیچ = d
  • تنش کششی نهایی مصالح ورق اتصال = Fu
  • ضخامت قطعه اتصال = t
  • فاصلۀ خالص در راستای نیرو، بین لبۀ سوراخ‌ها برای سوراخ‌های میانی یا فاصلۀ خالص در راستای نیرو، بین لبۀ سوراخ تا لبه آزاد ورق اتصال برای سوراخ‌های انتهایی =lc

از بین این دو مقدار برای یک پیچ، هر کدام کوچک‌تر باشد، بحرانی‌ تر است. به عبارت بهتر، می‌توان نوشت:

{lc= min {CC-d , CE-d/2

مثلاً برای سوراخ زیر، کوچک‌ترین سه مقدار نشان داده‌ شده، به‌عنوان lc در نظر گرفته می‌شود:

 

کنترل مقاومت لهیدگی در جدار سوراخ پیچ های اتصالات پیچ و مهره ای

طراحی اتصالات اصطکاکی

کنترل مقاومت کششی طراحی

مقاومت کششی طراحی پیچ‌های پر مقاومت در اتصالات پیچی اصطکاکی عیناً مشابه مقاومت کششی طراحی پیچ‌های پر مقاومت در اتصالات اتکایی می‌باشد و داریم:

ΦRnt= ΦFntAnb

در رابطه بالا:

  • ضریب کاهش مقاومتΦ) = 0.75)
  • مقاومت (نیرو) برشی اسمی طراحی =Rnt
  • تنش کششی اسمی پیچ =Fnt (مطابق جدول 10-2-9-10)
  • سطح مقطع اسمی پیچ =Anb

 

کنترل مقاومت برشی طراحی

مقاومت برشی طراحی پیچ‌های پر مقاومت در اتصالات اصطکاکی پیچی بر اساس کنترل لغزش بحرانی تعیین می‌گردد:

ΦRnv= ΦµDuhfTbns

رابطه بالا پارامترهای مهمی دارد که در ادامه معرفی می‌کنیم:

 

کنترل مقاومت برشی در طراحی اتصالات پیچی اصطکاکی بر اساس آیین نامه اتصالات پیچ و مهره ای

 

نسبت پیش تنیدگی متوسط پیچ‌ها به پیش تنیدگی حداقل پیچ‌ها Du) = 1.13)

 

ضوابط اتصالات پیچی اصطکاکی

 

حداقل نیروی پیش تنیدگی پیچ ( Tb) طبق مقادیر جدول 10-2-9-7

 

حداقل نیروی پیش تنیدگی در اتصالات اصطکاکی پیچی

 

تعداد صفحات لغزش (ns ): تعداد صفحاتی در پیچ که احتمال شکست برشی در آنجا وجود دارد.

 

تعداد لغزش یا ns در اتصال اصطکاکی پیچ ها

مقدار ns در اتصالات پیچ و مهره ای

 

کنترل مقاومت تحت تأثیر هم‌ زمان کشش و برش

در اتصال اصطکاکی، در صورت وجود توأم نیروی کششی و برشی، مقاومت برشی اسمی بر اساس کنترل لغزش، در ضریبی مطابق رابطه زیر ضرب می‌شود:

طراحی اتصال اصطکاکی پیچ ها

 

 

که در رابطه بالا:

  • نیروی کششی مورد نیاز (اعمال‌ شده) =Tu
  • نسبت پیش تنیدگی متوسط پیچ‌ها به پیش تنیدگی حداقل پیچ‌ ها Du) = 1.13)
  • حداقل نیروی پیش تنیدگی پیچ طبق جدول 10-2-9-7 =Tb
  • تعداد پیچ‌ هایی که نیروی کششی را تحمل می‌کنند =nb

 

کنترل مقاومت لهیدگی در جدار سوراخ پیچ

عیناً مشابه حالت اتصال اتکایی است و هیچ تفاوتی ندارد.

الف) برای سوراخ استاندارد، سوراخ بزرگ‌ شده، سوراخ لوبیایی کوتاه و سوراخ لوبیایی بلند در حالتی که نیرو در امتداد طولی باشد:

 

(ΦRn= Φ(1,2lc t Fu) ≤ Φ(2,4dt Fu

ب) برای سوراخ لوبیایی بلند در حالتی که نیرو در امتداد عرضی باشد (محور شکاف عمود بر امتداد نیرو باشد):

 

(ΦRn= Φ(1,0lc t Fu) ≤ Φ(2dt Fu

 

که در روابط بالا:

  • قطر اسمی پیچ =d
  • تنش کششی نهایی مصالح ورق اتصال =Fu
  • ضخامت قطعه اتصال =t
  • فاصلۀ خالص در راستای نیرو، بین لبۀ سوراخ‌ها برای سوراخ‌های میانی یا فاصلۀ خالص در راستای نیرو، بین لبۀ سوراخ تا لبه آزاد ورق اتصال برای سوراخ‌های انتهایی =lc

طراحی ورق اتصال در اتصالات کششی

کنترل مقاومت کششی ورق اتصال

مقاومت کششی طراحی در اعضای کششی باید برابر با کوچک‌ ترین مقدار محاسبه در حالات زیر در نظر گرفته شود:

الف) حد تسلیم کششی در مقطع کلی:

ΦPn= Φ FyAg    ,  Φ=0.9

ب) برای گسیختگی کششی در مقطع خالص مؤثر عضو در محل اتصال:

{ΦPn= Φ FuAe    ,  Φ=0.75  , Ae=min {UAn , 085Ag

به عبارت بهتر:

{ ΦPn=min {0.9FyAg , 0.75FuAe

در روابط بالا:

  • ضریب کاهش مقاومت =Φ
  • سطح مقطع کلی عضو =Ag
  • بحرانی‌ ترین (کوچک‌ ترین) سطح مقطع خالص عضو =An
  • سطح مقطع خالص مؤثر عضو =Ae
  • تنش تسلیم فولاد =Fy
  • تنش کششی نهایی فولاد =Fu
  • ضریب تأخیر برش (U) که مطابق جدول 10-2-3-1 به‌صورت زیر است:

 

تاثیر ضریب تاخیر برش در کنترل مقاومت کششی ورق اتصال

 

هنگامی‌که همه‌ی اجزای یک مقطع عرضی، به صفحه اتصال متصل نشده باشند (مثلاً فقط یک پای نبشی به صفحه اتصال پیچ کاری شود)، پدیده تأخیر برشی (shear lag) اتفاق می‌افتد. در این حالت، اجزای اتصال یافته تحت تأثیر تنش بیشتری قرار دارند و اما اجزای اتصال نیافته، تحت تنش کامل قرار نمی‌گیرند. برای اعمال این تأثیر، از ضریب تأخیر برش استفاده می‌شود.

 

 

تاثیر ضریب تاخیر برش و دلیل استفاده از آن

محاسبه  Aو  An

ابتدا به مفهوم قطر اسمی سوراخ و قطر محاسباتی سوراخ‌ ها می‌پردازیم.

قطر اسمی سوراخ: برای اینکه پیچی به قطر d بتواند داخل سوراخ برود، لازم است قطر سوراخ اجرایی، اندکی از قطر پیچ بیشتر باشد. این قطر را قطر اسمی سوراخ می‌ نامند و به‌ صورت زیر است:

 

قطر اسمی سوراخ پیچ

 

 

 

برای محاسبات مربوط به Aو An ، از قطر محاسباتی سوراخ‌ها باید استفاده کنیم. قطر محاسباتی سوراخ را برای در نظر گرفتن اثرات احتمالی افزایش قطر سوراخ تحت بارها، اندکی بیشتر در محاسبات وارد می‌کنند:

قطر محاسباتی سوراخ = قطر اسمی سوراخ +2mm

سوراخ‌ها در اتصالات، باعث کاهش سطح مقطع مفید عضو می‌شوند:

 

کاهش سطح مقطع مفید ورق در اثر ایجاد سوراخ پیچ

کاهش سطح مقطع به علت وجود سوراخ ها

 

سطح مقطع کل (Ag) یک عضو برابر با کل مساحت مقطع عرضی آن است اما برای به دست آوردن سطح مقطع خالص و مفید عضو (An)، باید مساحت عرضی سوراخ‌ ها را از مساحت عرضی کل کم کنیم. مثلاً در شکل زیر، مساحت خالص در یک سطح گسیختگی فرضی، مانند A-A  به‌ صورت زیر است:

 

شماتیک ورق با اتصال پیچی

نمونه ورق اتصال پیچی سازه های فولادی

 

برش عرضی ورق با سوراخ های پیچی و محاسبه مساحت خالص

برش عرضی مقطع A-A

 

در نتیجه هرچه تعداد سوراخ‌ها بیشتر باشد، مساحت خالص کمتر خواهد شد:

Ag=b×t

(An=b×t -2(d×t

تأثیر تعداد سوراخ در مساحت خالص ورق

مقایسه تأثیر تعداد سوراخ در مساحت خالص

 

اگر سطح شکست فرضی، مسیرهای مورب هم داشته باشد، به ازای هر مسیر مورب، مقدار S2/4g به سطح مقطع خالص اضافه می‌شود.

s، فاصله افقی دو سوراخ و g، فاصله عمودی دو سوراخ است. مسیر مورب، باعث افزایش مساحت خالص می‌شود

 

پارامترهای s و g برای بدست آوردن مساحت خالص ورق های اتصالات پیچی

پارامترهای s و g

 

 

در شکل بالا، با فرض قطر d برای سوراخ‌ها، مساحت خالص در مسیر ABDE برابر است با:

A= b×t – 2(d×t) + S2/4g

برای محاسبه ظرفیت کششی یک عضو پیچ شده، باید تمام مسیرهای گسیختگی ممکن را در نظر بگیریم و مسیری را که تحت بزرگ‌ ترین تنش قرار دارد، به‌ عنوان بحرانی‌ ترین مسیر پیدا کنیم. مسیری بحرانی‌ تر است که نسبت   t/An بزرگ‌ تری داشته باشد. همیشه ابتدا به سراغ مسیر های با سوراخ بیشتر می‌ رویم چون مساحت خالص کمتری دارند و در مقایسه با سایر مسیرها بحرانی‌ تر خواهند بود. بعداً مثالی کاربردی در این‌ باره حل خواهیم کرد و توضیحات کامل‌ تری ارائه خواهد شد.

کنترل مقاومت برشی ورق اتصال

مقاومت برشی طراحی اعضا در مجاورت ناحیۀ اتصال، به شرح زیر برابر کوچک‌ ترین مقدار محاسبه‌ شده از حالات زیر در نظر گرفته شود:

الف) تسلیم برشی روی مقطع کلی:

Φ Rn= Φ 0.6 FAgv    ,  Φ=1

ب) گسیختگی برشی روی مقطع خالص:

                                                                        Φ Rn= Φ 0.6 FAnv    ,  Φ=0.75

به عبارت بهتر:

 {Φ Rn=min {0.6 FAgv , 0.75 FAn

در روابط بالا:

  • ضریب کاهش مقاومت = Φ
  • سطح مقطع کلی تحت برش = Agv
  • سطح مقطع خالص تحت برش = Anv
  • تنش تسلیم فولاد = Fy
  • تنش کششی نهایی فولاد = Fu

کنترل برش قالبی در ورق اتصال

در حالت‌ هایی که ممکن است قطعه‌ای از اتصال، تحت تأثیر ترکیبی برش و کشش گسیخته شود (قلوه‌ کن شود)، مقاومت طراحی برش قالبی از رابطه‌ی زیر به دست می‌آید:

 

 

کنترل برش قالبی در ورق اتصال پیچی

حالتی از گسیخته شدن قطعه اتصال، تحت تأثیر ترکیبی برش و کشش

 

 

ΦR= Φ (0.6FuAnv + Ubs FuAnt) ≤ Φ (0.6FyAgv + Ubs FuAnt)    ,    Φ = 0.75

که در رابطه بالا:

  • ضریب کاهش مقاومت = Φ
  • سطح مقطع کلی تحت برش = Agv
  • سطح مقطع خالص تحت برش = Anv
  • سطح مقطع خالص تحت کشش = Ant
  • تنش تسلیم فولاد = Fy
  • تنش کششی نهایی فولاد = Fu
  • ضریب توزیع تنش (Ubs): برای توزیع یکنواخت تنش کششی در انتهای عضو مقدار آن مساوی 1 و برای توزیع غیر یکنواخت تنش کششی در انتهای عضو مقدار آن مساوی 0.5 در نظر گرفته می‌شود.

 

به شکل‌ های زیر توجه نمایید:

 

تعیین ضریب توزیع تنش در طراحی ورق اتصال، اتصالات پیچ و مهره ای

تعیین ضریب توزیع تنش

 اکنون توجه شما را به چند تمرین کاربردی از طراحی و آنالیز اتصالات پیچی جلب می‌کنیم تا کاربرد مفاهیم مطرح‌شده را بهتر درک نمایید. بدین منظور، چهار حالت نیرویی متداول در اتصالات پیچ و مهره ای را در نظر گرفته و برای هرکدام یک تمرین حل می‌کنیم.

مثال طراحی اتصالات پیچی سازه های فولادی

مثال طراحی اتصال پیچ و مهره ای فقط تحت اثر نیروی برشی

اتصال تک بال نبشی و اتصال دو تسمه کششی از متداول‌ ترین اتصالاتی هستند که در آن‌ ها، پیچ‌ ها تنها تحت اثر برش قرار می‌گیرند. در اینجا تمرینی از طراحی اتصال به‌ وسیله تسمه‌ ی کششی حل می‌کنیم.

مثال) قصد داریم یک اتصال اتکایی کششی با سوراخ‌ های استاندارد به شکل زیر برای تحمل نیروی نهایی Pu=80 ton طراحی کنیم. پیچ‌ ها M20 و از نوع A325 هستند. می‌ خواهیم طراحی طوری باشد سطح برش‌ ها از قسمت دندانه شده نگذرند. ورق‌های اتصال از فولاد نرمه و دارای تنش تسلیم  Fy=2400kg/cm2  و تنش گسیختگی Fu=3700kg/cm2  هستند. لبه ورق‌ها با قیچی بریده‌ شده‌اند. تعداد و آرایش بهینه پیچ‌ ها را تعیین کنید؟

 

مثال طراحی اتصال پیچی فقط تحت اثر نیروی برشی

 

حل) ابتدا باید یک چینش ابتدایی برای سوراخ‌ها در نظر بگیریم. طبق بند 10-2-9-3-2-پ، حداقل فاصله مرکز به مرکز سوراخ برابر با 3d و طبق بند 10-2-9-3-2ت حداقل فاصله مرکز سوراخ تا لبه ورق برابر با 2d است. قطر پیچ، 2 سانتی‌متر است.

مرکز تا مرکز سوراخ‌ها CC) : 6cm=3 × 2)

مرکز سوراخ تا لبه در هر راستا CE) : 4cm=2 × 2)

همچنین قطر محاسباتی سوراخ : 20+2.4cm = 24mm = 2+2

اکنون مقاومت هر پیچ را به دست می‌ آوریم:

L= min {CC-d , CE-d/2} = min {6-2.4,4-2.4/2} = 3.6 cm

  • ظرفیت لهیدگی جداره پیچ (در محاسبات پیچ‌ ها از قطر پیچ استفاده می‌شود. نه قطر محاسباتی سوراخ):

در محاسبه ظرفیت لهیدگی جداره سوراخ، ورق وسط را در نظر می‌گیریم. چون این ورق، کل نیروی Pu را تحمل می‌کند.

 

مثال طراحی اتصال پیچی فقط تحت اثر نیروی برشی

 

 

 

  • آموزش طراحی اتصالات پیچی با حل یک مثالظرفیت پیچ تحت تأثیر برش:

 

 

مطابق جدول 10-2-9-6  برای پیچ A325، مقدار Fu برابر است با:

 

 

 

 

مشخصالت پیچ های موجود در ایران برای طراحی اتصال پیچ و مهره ای

مشخصات پیچ‌های تولید یا موجود در ایران

 

پیچ A325 پر مقاومت است و سطح برش از قسمت دندانه شده نمی‌گذرد. بنابراین طبق جدول 10-2-9-10 :

 

تنش اسمی پیچ های موجود در ایران برای طراحی اتصال پیچی تحت تاثیر نیروی برشی

تنش اسمی (پیچ و قطعات دندانه شده)

 

آموزش طراحی اتصال پیچی تحت اثر نیروی برشی با حل یک مثال

 

 

 

 

توجه: در رابطه بالا، ضریب 2 به این خاطر ضرب شده که از هر پیچ، 2 سطح برش می‌گذرد. بنابراین پیچ، در دو جبهه تنش را تحمل می‌کند.

 

بنابراین مقاومت هر پیچ برابر است با:

مرحله به مرحله طراحی اتصالات پیچی تحت اثر نیروی برشی با مثال عددی

 

حال می‌توانیم تعداد پیچ‌های لازم را به دست آوریم:

 

 

آرایش پیچ‌ها حتی‌ الامکان باید منظم و متقارن باشند. همچنین در اینجا، چون عرض ورق زیاد است، شاید بهتر باشد پیچ‌ ها را در دو ردیف بچینیم تا از عرض ورق، استفاده کرده باشیم. این 4 عدد پیچ طبق ضوابط، می‌توانند آرایشی مطابق شکل زیر داشته باشند (عرض ورق‌ها طبق صورت سؤال، 30 سانتی‌متر است)

 

 

آرایش پیچی ها در مثال طراحی اتصالات پیچ و مهره ای سازه های فولادی

مثال1

 

اکنون باید از کفایت ورق‌های اتصال تحت این آرایش از پیچ‌ها نیز مطمئن باشیم. چون ورق وسط باید کل نیرو را تحمل می‌کند، پس بحرانی‌تر است و کنترل کفایت این ورق کافی است:

ابتدا Ag و An  و Ae را محاسبه می‌کنیم:

Ag = bt = 30  1.8 = 54cm2

برای محاسبه An ، مسیرهای محتمل گسیختگی، ABCD و ABEF هستند. توجه شود که باید از قطر محاسباتی سوراخ‌ها استفاده کرد.

 

محاسبه سطح مقطع موثر در اتصالات پیچ و مهره ای

 

 

  • مسیر ABCD:

در این مسیر گسیختگی، کل نیروی Pu به مساحت خالص وارد می‌شود چون در مسیر نیرو پیچی وجود ندارد که بخشی از Pu را تحمل نماید (  TABCD=Pu)

 

بدست آوردن تنش گسیختگی در اتصالات پیچی با حل یک مثال

بنابراین تنش گسیختگی در این سطح برابر است با:

 

 

 

 

 

 

 

  • مسیر ABEF:

در این مسیر گسیختگی، کل نیروی   3/4Pu  به مساحت خالص وارد می‌شود چون پیچ  قرمز رنگ،  1/4Pu را قبل از سطح گسیختگی تحمل می‌کند ( TABCD=3/4Pu )

 

محاسبه تنش گسیختگی در اتصالات پیچی تحت اثر نیروی برشی

 

 

بنابراین تنش گسیختگی در این سطح برابر است با:

 

 

 

 

همان‌طور که مشاهده می‌شود، تنش در مسیر ABCD بزرگ‌ تر است و در نتیجه این مسیر بحرانی‌ ترین مسیر گسیختگی در این اتصال می‌باشد. پس از An1 برای ادامه محاسبات استفاده می‌کنیم:

An=45.36 cm2

مطابق حالت 1 از جدول 10-2-3-1، کلیه اعضای کششی که در آن‌ها بار به‌ وسیله پیچ مستقیماً به کلیه اجزای مقطع متصل می‌شود، دارای U=1 می‌باشد. بنابراین، مساحت خالص مؤثر برابر است با:

Ae= min{UAn , 0.85Ag} = min{1 × 45.36 , 0.85× 54} = 45.36 cm2

اکنون کفایت ورق اتصال را کنترل می‌کنیم:

کنترل مقاومت کششی ورق اتصال

الف) حد تسلیم کششی در مقطع کلی:

ΦPn= 0.9FyA= 0.9 × 2400 × 54 = 116640 kg = 116.64 ton

ب) برای گسیختگی کششی در مقطع خالص مؤثر عضو در محل اتصال:

ΦP= 0.75FuA= 0.75  3700  45.36 = 125874 kg = 125.87 ton

درنتیجه

 ΦPn = min{0.9Fy Ag , 0.75 Fu Ae} = min{116.64 , 125.87} = 116.64 ton  > 65 ton  Ok

کنترل مقاومت برشی ورق اتصال

در این اتصال، گسیختگی صرفاً برشی در ورق اتفاق نمی‌افتد. بنابراین نیاز به کنترل این موضوع نیست.

کنترل برش قالبی در ورق اتصال

دنبال الگوی گسیختگی قالبی می‌گردیم که تحت نیروی کمتری گسیخته می‌شود چون بحرانی‌تر است. دو الگوی برش قالبی در این اتصال مطابق شکل‌های زیر داریم که طبیعتاً حالت 1  بحرانی‌تر است چون مساحت کمتری دارد و در نتیجه نیروی کمتری برای برش قالبی‌ اش لازم دارد:

 

کنترل برش قالبی در مثال طراحی اتصالات پیچی

 

 

مسیر حالت 1 را در ورق بالایی در نظر می‌گیریم چون ضخامت کمتری دارد :

 

(ΦRn= 0.75 (0.6FuAnv +UbsFuAnt) ≤ 0.75 (0.6FyAgv +UbsFuAnt

 

طراحی گام به گام اتصالات پیچ و مهره ای تحت اثر نیروی برشی

 

مثال طراحی اتصالات پیچ و مهره ای

 

 

 

در ورق اتصال، 1 =Ubs است. اکنون داریم:

 

 

 

 

 

 

 

 

پس اتصال از همه لحاظ کفایت دارد و طرح، نهایی است.

 

مثال طراحی اتصالات پیچی سازه های فولادی تحت تأثیر هم‌ زمان نیروی برشی و لنگر پیچشی

چنانچه خط اثر نیروی اعمالی در صفحه‌ی گذرنده از پیچ‌ها قرار داشته باشد اما از مرکز هندسی پیچ‌ها عبور نکند، باعث ایجاد لنگر پیچشی می‌شود. نیروی برشی P به همراه خروج از مرکزیت e را می‌توان به مرکز پیچ‌ ها بعلاوه لنگر پیچشی Pe منتقل نمود.

 

معادل سازی نیرو ها در اتصالات پیچی

اتصال دستک به بال ستون و معادل‌ سازی استاتیکی نیروها

 

نیروی برشی P، تنش برشی یکسانی بر تمام پیچ‌ها وارد می‌کند. برای تعیین تنش برشی ناشی از لنگر پیچشی در پیچ‌ها از روابط مقاومت مصالح در حالت الاستیک خطی استفاده می‌کنیم. مطابق رابطه  Τ = Tr / J، تنش برشی در هر پیچ با فاصله‌ی آن تا مرکز سطح پیچ‌ها (r) رابطه مستقیم دارد. در این نوع اتصال، پیچ‌ ها فقط تحت اثر تنش برشی قرار دارند و لذا فقط برای تحمل برش طراحی می‌شوند.

 

نمایش نیروی برشی وارد پیچ (نیروی برشی چگونه بر پیچ وارد می شود؟)

نمونه پیج جهت نشان دادن نیروی برشی

در شکل بالا به پیچ A، نیروی برشی Τ=Tr / J،وارد می‌شود که می‌توان برای سادگی محاسبات آن را به دو مؤلفه در راستای X و Y ، به ترتیب TY/ J و  TX/ J تجزیه کرد.

ممان اینرسی پیچشی J به‌ صورت زیر محاسبه می‌شود:

 

مثال طراحی اتصالات پیچی

 

 

Abi مساحت پیچ i ام و di فاصله پیچ i ام تا مرکز سطح هندسی پیچ‌هاست.

 

مثال طراحی اتصالات پیچی تحت تاثیر نیروی برشی و لنگر پیچشی

 

 

در رابطه بالا، Ai  مساحت پیچ، yi فاصله پیچ تا سطح‌ مبنای دلخواه و y¯ (ایگرگ بار)  فاصله مرکز سطح تا محور مبناست.

  • سپس باید بحرانی‌ ترین پیچ، یعنی پیچی که بیشترین تنش به آن وارد می‌شود پیدا کنیم و طراحی را بر مبنای آن ادامه دهیم. نیروی برشی کل وارد بر پیچ بحرانی، برابر است با:

گام به گام مثال طراحی اتصالات پیچ و مهره ای

 

 

که در آن، fx جمع جبری تنش‌ های افقی و fبرابر با جمع جبری تنش‌های قائم وارد بر پیچ است.

 

  • در پایان برای کفایت طراحی، نیروی برشی وارد بر پیچ بحرانی باید کمتر از ظرفیت برشی آن باشد:

fv  ≤Φ Fnv

در ادامه تمرین زیر را باهم حل می‌کنیم تا مفاهیم یاد شده را بهتر درک کنیم.

 

مثال) نیروی  Pu=35 ton به انتهای دستکی با آرایش پیچ‌ های داده‌ شده، مطابق شکل زیر وارد شده است. اگر قرار باشد از پیچ‌ های پر مقاومت A325 برای این اتصال استفاده کنیم، در دو حالت اتصال اتکایی و اتصال اصطکاکی، قطر اسمی مناسب پیچ‌ها را تعیین کنید؟ ( سوراخ‌ها استاندارد هستند، سطح برش از قسمت دندانه شده پیچ‌ها نمی‌گذرد، از ورق‌های پرکننده بین قطعات متصل استفاده نمی‌شود ( hf=1) و سطح ورق‌ها، تمیز و رنگ‌شده است ( µ=0.3))

 

طراحی اتصال پیچی با کمک نیروی برشی و لنگر پیچشی

مثال2

حل)

جهت سادگی محاسبات، خط گذرنده از مرکز دو پیچ پایینی را به‌عنوان محور مبنا در نظر می‌گیریم (تمام y¯ ها، نسبت به آن سنجیده می‌شوند):

 

 

طراحی اتصالات پیچ و مهره ای در سازه فولادی با مثال عددی

 

مثال طراحی اتصال پیچی در سازه فولادی تحت تاثیر نیروی برشی و لنگر پیچشی

 

 

 

 

 

 

 

 

مطابق جدول 10-2-9-10 برای پیچ‌های A325 داریم:

 

طراحی اتصال پیچی سازه فولادی با استفاده از مثال تحت تاثیر نیروی برشی و لنگر پیچشی

 

با فرض اینکه قطر پیچ کمتر از 24 میلی‌متر باشد، مطابق جدول 10-2-9-6، تنش کششی نهایی پیچ برابر است با:

 

Fu=800 Mpa=8000 kg/cm2

 

تنش کششی پیچ های پر مقاومت موجود در ایران (طراحی گام به گام اتصالات پیچی تحت اثر نیروی برشی و لنگر پیچشی)

 

درنتیجه داریم:

Fnt=0.75Fu=0.75 × 8000=6000 kg/cm2

Fnv=0.55Fu=0.55 × 8000=4400 kg/cm2

 پیچ A و B بیشترین فاصله را از مرکز سطح دارند اما کدام‌ یک بحرانی‌ تر هستند؟

 

 

پیچ بحرانی در اتصالات پیچ و مهره ای (مراحل طراحی اتصالات پیچی در سازه فولادی)

 

تنش برشی ناشی از پیچش در پیچ A بیشترین مقدار و بحرانی‌ تر است زیرا مؤلفه قائم تنش برشی ناشی از پیچش در پیچ B رو به بالاست و خلاف جهت برش روی به پایین است اما در پیچ A مؤلفه قائم تنش برشی ناشی از پیچش در پیچ A رو به پایین و هم‌ جهت با برش رو پایین است و با آن جمع می‌شود

پس در ادامه محاسبات، پیچ A را در نظر می‌گیریم و تنش برشی کل را در آن به دست می‌آوریم:

محاسبه تنش برشی در مراحل طراحی اتصالات پیچی

تنش برشی ناشی از Pu :

 

 

مؤلفه‌های تنش برشی ناشی از لنگر خمشی  T=Pu ,e:

 

 

 

 

 

تنش برشی کل برابر است با:

 

 

 

 

در این اتصال بر پیچ‌ها، تنها نیروی برشی وارد می‌شود (نیروی کششی نداریم) لذا گسیختگی تحت اثر برش را در نظر می‌گیریم:

 

الف) اگر اتصال اتکایی باشد

 

مثال طراحی اتصالات اتکایی پیچی

 

 

 

بنابراین با توجه به قطرهای موجود، استفاده از پیچ M20 در این اتصال، انتخاب مناسبی است.

 

ب) اگر اتصال پیچی اصطکاکی باشد

سوراخ‌ها استاندارد هستند (Φ=1) و چون تنها دو ورق اتصال داریم، تنها یک سطح برش داریم (ns=1 ). در ادامه با استفاده از اطلاعات داده‌شده در صورت سؤال، داریم:

 

مثال طراحی اتصالات اصطکاکی پیچ ها در اثر نیروی برشی و لنگر پیچیشی

 

 

 

 

 

با مراجعه به جدول 10-2-9-7 متوجه می‌شویم پیچ M30 این شرط را ارضاء می‌کند.

 

طراحی اتصال پیچ و مهره ای تحت نیروی برشی و لنگر پیچشی

 

مثال طراحی اتصالات پیچ و مهره ای تحت تأثیر هم‌ زمان نیروی برشی و لنگر خمشی

چنانچه خط اثر نیروی اعمالی، خارج از صفحه‌ی گذرنده از پیچ‌ ها قرار داشته باشد و مرکز هندسی پیچ‌ها عبور نکند، باعث ایجاد لنگر خمشی می‌شود. نیروی برشی P به همراه خروج از مرکزیت e را می‌توان به مرکز پیچ‌ ها بعلاوه لنگر خمشی Pe منتقل نمود.

 

 

معادل سازی نیرو ها و لنگر خمشی وارد بر ستون به علت اتصالات پیچی سازه فولادی

اتصال مفصلی تیر به ستون و ایجاد لنگر خمشی در پیچ‌های متصل به ستون و معادل‌سازی استاتیکی نیروها

 

در این نوع اتصال، پیچ‌ ها تحت تأثیر هم‌ زمان برش و کشش قرار دارند و برای هر دو باید طراحی شوند. در اینجا نیز با استفاده از روابط مقاومت مصالح، می‌توانیم تنش‌ های ایجاد شده در پیچ‌ها را به دست آوریم. نیروی برشی P، تنش برشی یکسانی بر تمام پیچ‌ها وارد می‌کند و نیز مطابق رابطه σ =Mc/I، تنش کششی ناشی از خمش در هر پیچ، با فاصله‌ی آن تا محور لنگر خمشی گذرنده از مرکز سطح پیچ‌ها، رابطه مستقیم دارد.

برای استفاده از رابطه بالا، ابتدا باید محل محور خنثی (N.A) را به دست آوریم. ممان استاتیک سطح، حول محور خنثی صفر می‌باشد:

 

آموزش طراحی اتصال پیچ و مهره ای با حل یک مثال عددی

 

 

 

در رابطه فوق، hi فاصله پیچ i ام از پایین صفحه اتصال،y‾ فاصله محور خنثی از پایین صفحه اتصال، Abi مساحت پیچ i ام و b عرض ورق شامل پیچ‌ها می‌باشد. برای محاسبه y‾ در رابطه بالا، می‌توان از سعی و خطا استفاده کرد. به‌عنوان حدس اولیه می‌توانید y=d/6¯ را در نظر بگیرید (d ارتفاع صفحه اتصال است)

 در این مرحله، پیچ‌های ناحیه فشاری را از روند محاسبات خارج می‌کنیم چون در انتقال لنگر نقشی بر عهده ندارند.

 

پس از یافتن محل محور خنثی، ممان اینرسی I را حول محور خنثی به دست می‌آوریم:

 

مثال طراحی اتصالات پیچی تحت اثر نیروی برشی و لنگر خمشی

 

 

تمرین زیر را حل می‌کنیم تا با تحلیل این نوع اتصالات نیز آشنا شویم.

 

مثال) در اتصال زیر، جمعاً از 10 عدد پیچ M20 پر مقاومت A490 استفاده شده است. اگر اتصال اتکایی باشد و فاصله مرکز تا مرکز پیچ‌ها 10 سانتی‌متر باشد، حداکثر نیروی مجاز  برای اعمال به اتصال خمشی زیر را به دست آورید؟ ( سطح برش از مرکز پیچ‌ها نمی‌گذرد و سوراخ‌ها استاندارد هستند)

 

مثال طراحی اتصال پیچ و مهره ای تحت لنگر خمشی و نیروی برشی

 

حل)

Ab=π/4 (2)2=3.14 cm2

ارتفاع کل صفحه اتصال، 50 سانتی‌ متر است لذا تخمین اولیه از محل محور خنثی، Y=50/6=8.33 cm می‌باشد. در این ارتفاع، دو عدد پیچ پایینی تحت‌فشار می‌باشند و لذا از محاسبات محور خنثی خارج می‌شوند. پس از اتمام محاسبات، در صورت نادرست بودن این فرض، مجدداً باید محاسبات را تکرار کنیم.

 

آموزش طراحی اتصال پیچی سازه های فولادی

 

 

مثال طراحی اتصال پیچ و مهره

 

 

 

 

پس فرض اولیه درست بوده (فقط دو پیچ پایینی تحت‌فشار هستند) و y=7.5 cm¯ می‌باشد.

 

مثال طراحی اتصال پیچی سازه فولادی

 

 

 

 

پیچ‌های بالایی دور ترین فاصله تا محور خنثی دارند و بیشترین نیروی کششی به آن‌ها وارد می‌شود. لذا بحرانی‌ ترین پیچ‌ها هستند و محاسبات را بر مبنای آن انجام می‌دهیم. ابتدا باید تنش برشی و تنش کششی پیچ‌های بالایی را به دست آوریم:

 

محاسبه تنش کششی و تنش برشی پیچ (طراحی گام به گام اتصالات پیچی در سازه های فولادی)

 

 

 

 

 

مطابق جدول 10-2-9-6 برای پیچ A490، تنش کششی نهاییFu=1000Mpa=10000 kg/cm2 است.

همچنین مطابق جدول 10-2-9-10، مقادیر Fnt و Fnv  به‌ صورت زیر است:

 

محاسبه تنش کششی و برشی اتصال اتکایی ( مثال طراحی اتصالات پیچی تحت اثر نیروی برشی و لنگر خمشی)

 

Fnt=0.55 Fu = 0.75×10000=7500 kg/cm2

Fnv=0.55 Fu = 0.55 ×10000=5500 kg/cm2

الف) کنترل تنش کششی طراحی

 

کنترل تنش کششی در طراحی اتصالات پیچی تحت اثر نیروی برشی و لنگر خمشی1-فقط تحت اثر کشش:

 

 

2-تحت اثر هم‌زمان کشش و برش:

 

 

 

 

ب) کنترل تنش برشی طراحی

1-فقط تحت اثر برش:

کنترل تنش برشی در طراحی اتصالات پیچی سازه های فولادی

 

 

 

 

 

 

 

حداکثر مقدار مجاز نیروی Pu برابر با کوچک‌ترین مقدار از 4 مقدار فوق است. لذا داریم:

Pu max=87.511 ton

مثال طراحی اتصالات پیچی سازه های فولادی تحت تأثیر هم‌ زمان نیروی برشی و نیروی کششی

در این نوع اتصال، نیرو از مرکز سطح هندسی پیچ‌ها می‌گذرد و هیچ‌ گونه لنگری به مجموعه پیچ‌ ها اعمال نمی‌شود. اتصالاتی که تحت نیروهای توأم برشی و کششی قرار می‌گیرند، می‌توانند دارای عملکرد اتکایی یا اصطکاکی باشند .چنانچه نیرو از مرکز سطح پیچ‌ها عبور نماید، تنش‌ های برشی و کششی به‌ آسانی از تقسیم نیروهای اعمالی برشی و کششی بر سطح مقطع پیچ‌ها به دست می‌آیند. در ادامه مثالی در این‌ باره حل می‌کنیم.

مثال) در اتصال شکل زیر، از 6 عدد پیچ M22  پر مقاومت A325 استفاده شده است و نیروی Pu =80 ton از مرکز سطح هندسی پیچ‌ها می‌گذرد. کفایت مقاومت پیچ‌ها را در دو حالت عملکرد اتکایی و عملکرد اصطکاکی بررسی کنید؟ (سوراخ‌ ها استاندارد هستند و سطح برش از قسمت دندانه شده نمی‌گذرد. از ورق‌ های پر کننده بین قطعات متصل استفاده نمی‌شود (hf =1) و سطح ورق‌ها، تمیز و رنگ‌ شده است ( μ=0.3))

مثال طراحی اتصال پیچی تحت اثر نیروی برشی و کششی

مثال4

 

 

حل) ابتدا نیروی Pu را به دو نیروی افقی Tu (کششی) و قائم   Vu (برشی) تجزیه می‌کنیم ( Θ زاویه با افق)

مثال طراحی اتصالات پیچی

 

 

 

سپس تنش برشی (Fuv ) و تنش کششی ( Fut) هرکدام از پیچ‌ها را محاسبه می‌کنیم. 6 عدد پیچ به قطر اسمی 2.2 سانتی‌متر داریم:

 

 

 

 

اکنون دو حالت گفته‌ شده را بررسی می‌کنیم. برای پیچ M22-A325 مطابق جدول 10-2-9-6 داریم:

Fu=800 Mpa=8000 kg/cm2

همچنین طبق جدول 10-2-9-10، تنش کششی اسمی و تنش برشی اسمی برابرند با:

Fnt=0.75 Fu = 0.75×8000=6000 kg/cm2

Fnv=0.55 Fu = 0.55 ×8000=4400 kg/cm2

الف)اگر اتصال اتکایی باشد

1-کنترل تنش کششی طراحی تنها تحت اثر کشش:

باید ΦFnt ≥ fut برقرار باشد:

ΦFnt=0.75 × 6000=4500 kg/cm2 ≥ fut=3136.6 kg/cm2    ok

پس رابطه ΦFnt ≥ fut برقرار است.

 

2-کنترل تنش برشی طراحی تنها تحت اثر برش:

باید ΦFnv ≥ fuv برقرار باشد:

ΦFnv=0.75  4400=3300 kg/cm2  fuv=1568.3 kg/cm2    ok

پس رابطه ΦFnv ≥ fuv برقرار است.

 

3-کنترل تنش کششی طراحی تحت تأثیر هم‌ زمان برش و کشش:

باید ΦF′nt ≥ fut برقرار باشد:

طراحی اتصال پیچ و مهره ای در سازه فولادی

 

 

رابطه ΦF′nt ≥ fut برقرار است.

 

4-کنترل تنش برشی طراحی تحت تأثیر هم‌ زمان برش و کشش:

باید ΦF′nv ≥ fuv  برقرار باشد:

 

 

 

رابطه ΦF′nv ≥ fuv برقرار است.

ب) اگر اتصال اصطکاکی باشد:

1-کنترل تنش کششی طراحی تنها تحت اثر کشش:

باید ΦFnt ≥ fut برقرار باشد که روابطش عیناً مشابه اتصال اتکایی است و درنتیجه کفایت لازم را دارد

 

2-کنترل تنش برشی طراحی تنها تحت اثر برش:

باید ΦRnv ≥ fuv Anb برقرار باشد:

سوراخ‌ ها استاندارد هستند (Φ=1 ) و مطابق 10-2-9-7، حداقل نیروی پیش تنیدگی در پیچ M22-A325 برابر است با:

Tb= 176KN = 17.6 Mpa

حداقل نیروی پیش تنیدگی پیچ ها (آموزش مرحله به مرحله طراحی اتصالات پیچی)

در ادامه داریم:

 

کنترل تنش برشی در طراحی اتصالات پیچی تحت اثر نیروی برشی و کششی

 

 

 

 

رابطه ΦRnv ≥ fuv Anb برقرار است.

 

3-کنترل تنش کششی طراحی تحت تأثیر هم‌ زمان برش و کشش:

باید ΦFnt ≥ fut  برقرار باشد که روابطش عیناً مشابه اتصال اتکایی است و در نتیجه کفایت لازم را دارد

 

4-کنترل تنش برشی طراحی تحت تأثیر هم‌زمان برش و کشش:

باید ΦRnv ≥ fuv Anb برقرار باشد:

کنترل تنش برشی در طراحی اتصالات پیچ و مهره ای تحت اثر نیروی برشی و کششی با حل یک مثال عددی

 

 

 

 

 

 

بنابراین در عملکرد اصطکاکی، کفایت تحمل برش را ندارد و لذا نمی‌توان از این نوع اتصال استفاده کرد.

منابع

  1. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 92
خرید لينک هاي دانلود

دانلود رایگان اعضای ویژه

دانلود رایگان این آموزش و ده ها آموزش تخصصی دیگر به ازای پرداخت فقط 29 هزار تومان (+ اطلاعات بیشتر)

خرید با اعتبار سایت به ازای پرداخت فقط 3 هزار تومان

دانلود و ذخیره فقط همین آموزش ( + عضو شوید و یا وارد شوید !)

دانلود سریع و بدون نیاز به عضویت به ازای پرداخت فقط 3 هزار تومان

پیش از همه باخبر شوید!

تعداد علاقه‌مندانی که تاکنون عضو خبرنامه ما شده‌اند: 14,661 نفر

تفاوت اصلی خبرنامه ایمیلی سبزسازه با سایر خبرنامه ها نوآورانه و بروز بودن آن است ، ما تنها تازه ترین های آموزشی ، تخفیف ها و جشنواره ها و ... مورد علاقه شما را هر هفته به ایمیل تان ارسال می کنیم

نگران نباشید، ما هم مثل شما از ایمیل های تبلیغاتی متنفریم ، خاطر شما را نخواهیم آزرد!

تولید کنندگان آموزش
ارسال نظرات
نظرات کاربران
  1. مهدی بیات

    سلام
    وقت شما بخیر
    در ابتدا ممنون بابت این مطالب خوب
    در ادامه یک پیشنهاد دارم
    اگر این جزوه به صورتی بود که تمامی مراحل همزمان به صورت مشخص و مقایسه ای به دو روش ASD و LRFD تهیه میشد بسیار عالی می شد.

    ممنون از زحمات شما و تهیه این سایت عالی

    پاسخ دهید

  2. مرضیه صبور

    سلام جناب مهندس
    خیلی خوشحالیم که برای شما مفید واقع شده
    بله من نظر شما رو به گوش دوستان واحد آموزش خواهم رسوند.
    بازهم اگر پیشنهادی برای بهتر شدن سایت داشتید خوشحال میشیم ما رو در جریان بذارید.

    پاسخ دهید

  3. مهسا میرزایی

    واقعااااااااااااا ممنون…. بسیار صریح و روان توضیح می دید مطالب رو….خیلی استفاده می کنم از پیجتون…خدا قوت بده بهتون

    پاسخ دهید

  4. مرضیه صبور

    سلام خانم مهندس
    خیلی خوشحالیم که مورد توجه شما قرار گرفته مطالب سایت
    اگر پیشنهادی برای بهتر شدن سایت دارید با کمال میل پذیرا هستیم

    پاسخ دهید

  5. h.movaghar

    سلام. ببخشید یه سوال از این آموزش داشتم. تنش کششی رو فرمودید توی دو حالت اتکایی و اصطکاکی در پیچ ها عینا” یکسان است.آیا نباید تنش کششی ناشی از پیش تنیدگی رو در پیچ ها در نظر بگیریم و اونو با تنش ناشی از بارگذاری جمع کنیم؟

    پاسخ دهید

  6. MohammadKarimi

    تازه سایت شمارو بازدید کردم ..عالی هستین.ممنون

    پاسخ دهید

  7. سید سعید سرفرازی

    خواهش میکنم ، پیشنهاد میکنم حتما از شهریادگیری سبزسازه بازدید کنید.
    متشکرم

    پاسخ دهید

؟

فقط کافیست ایمیلتان را وارد کنید

در کمتر از 5 ثانیه اطلاعاتتان را وارد کنید و 3 ایبوک طراحی سازه بتنی در ایتبس را به همراه هدیه ویژه آن در ایمیلتان دریافت کنید
برایم ایمیل شود
نگران نباشید ایمیل های مزاحم نمی فرستیم
close-link

افزایش درآمد طراحی سازه
63 دقیقه ویدئو رایگان دکتر سالار منیعی

یاد بگیرید پیش از رسیدن به سال 99 چه مهارتهایی را بصورت تخصصی بیاموزید تا جزو 10% موفق طراحان سازه باشید.
همین الان دریافت می کنم.
با بستن این صفحه دیگر این پیشنهاد را هیچ وقت نخواهید دید.
close-link