طراحی اتصال گیردار فلنجی چهارپیچی با سخت کننده و بدون سخت کننده به صورت دستی

اتصال گیردار فلنجی چیست؟

همانطور که شما هم می دانید یکی از انواع اتصالات فولادی، اتصال گیردار فلنجی می باشد که عموما به دو صورت اتصال فلنجی تیر به ستون و اتصال تیر به تیر فلنجی تقسیم می شوند اما چرا در طراحی سازه از این اتصال استفاده می کنیم؟ مراحل طراحی اتصال گیردار فلنجی به چه صورتی است؟

در این ایبوک جامع 63 صفحه ای به بررسی مفهوم اتصال فلنجی خواهیم پرداخت و سپس طراحی اتصال گیر دار فلنجی را در حالت بدون سخت کننده و با سخت کننده بررسی خواهیم کرد.

⌛ آخرین به روز رسانی: 21 مهر 1403

📕 تغییرات به روز رسانی: آپدیت بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1401

اتصال فلنجی چیست؟

اتصال فلنجی یکی از انواع اتصالات از پیش تأییدشده گیردار است که مورد تأیید بسیاری از آیین‌نامه‌های طراحی از جمله مبحث دهم مقررات ملی ایران می‌باشد. این اتصال که در آیین‌نامه‌های بین‌المللی از جمله آیین‌نامه AISC360 از آن با نام اتصال end-plate یا ورق انتهایی یاد شده است، اولین‌بار در اوایل دهه 1950 میلادی معرفی گردید. در این اتصال به‌طورکلی اتصال تیر به ستون (یا تیر به تیر) با استفاده از ورق‌های سوراخ‌کاری شده و به کمک پیچ انجام می‌شود. جهت رسیدن به میزان قابل‌قبولی از صلبیت، ارتفاع ورق اتصال از ارتفاع تیر باید بلندتر باشد که در این حالت در آیین‌نامه‌های بین‌المللی به این اتصال، Extended end plate connection گفته می‌شود.

اتصال فلنجی ممکن است به دو صورت مورداستفاده قرار گیرد:

• اتصال فلنجی تیر به تیر: در این‌گونه اتصال همانطورکه در شکل زیر هم مشاهده می‌شود، بال فوقانی تیر باید اندکی بریده شود تا تیرها پس از اتصال در یک تراز قرار گیرند. درصورتی‌که بال فوقانی بریده نشود، پس از اتصال یکی از تیرها اندکی پایین‌تر از دیگری قرار می‌گیرد که این امر در هنگام اجرای سقف مشکل‌ساز می‌شود.
• اتصال فلنجی تیر به ستون: در این اتصال یک ورق انتهایی با استفاده از جوش به انتهای تیر متصل می‌شود(مطابق شکل زیر). جوش بال تیر به ورق انتهایی الزاماً از نوع شیاری بانفوذ کامل است. همچنین جوش ورق انتهایی به جان تیر می‌تواند از نوع شیاری بانفوذ کامل و یا جوش گوشه باشد. جوش ورق انتهایی به تیر در کارخانه انجام شده و در محل اجرا، با استفاده از سوراخ‌های تعبیه شده در ورق انتهایی و به کمک پیچ، تیر به ستون متصل می‌شود.

اتصال فلنجی تیر به تیر و تیر به ستون

در شکل زیر سه نمونه از اتصال فلنجی تیر به ستون، که در مبحث دهم مقررات ملی معرفی شده‌اند، مشاهده می‌شوند.

انواع اتصالات از پیش تأیید شده فلنجی

با توجه به آیین نامه‌ی ایران، همانطور که در شکل بالا هم مشخص است، اتصال فلنجی به سه دسته تقسیم شده است:

• اتصال فلنجی چهار پیچی بدون سخت کننده. (لچکی)
• اتصال گیردار فلنجی چهار پیچی با سخت کننده. (لچکی)
• اتصال فلنجی هشت ‌پیچی با سخت کننده.(لچکی)

با افزایش میزان لنگر انتهای تیر، تعداد پیچ‌های مورد نیاز افزایش یافته و همچنین سخت کننده‌ هایی برای اتصال فلنجی طراحی می‌شوند

مزایا و معایب اتصال گیردار فلنجی

اتصال فلنجی هم مانند تمامی اتصالات دیگر، مزایا و معایبی دارد.

مزایای اتصال فلنجی

• مناسب برای مناطق سردسیر
• حذف نیاز به جوش کارگاهی
• زمان و هزینه‌ی نصب پایین
• شاقول بودن قاب

معایب اتصال فلنجی

• نیاز به ‌دقت بالا در فرایند ساخت
• اعوجاج ورق‌های انتهایی
• ایجاد نیروی نشیمن
• مشکلات کف‌سازی

✅ هر یک از این مزایا و معایب اتصال فلنجی را به صورت کامل در متن اصلی ایبوک توضیح می دهیم.

ضوابط اتصالات فلنجی

الزامات و نکات مربوط به طراحی اتصالات فلنجی در مبحث دهم مقررات ملی و در بند 10-3-7-3 آورده شده است که در ادامه به تشریح آن می‌پردازیم.

مقطع تیرهای این اتصال می‌توانند به‌صورت I شکل و یا H شکل(نورد شده یا ساخته شده از ورق) باشد. همچنین مقطع ستون‌های این اتصال می‌تواند به‌صورت H شکل(نورد شده یا ساخته شده از ورق) و یا صلیبی ساخته شده از ورق باشد.

تعریف طول دهانه‌ی آزاد و عمق تیر

در طراحی این اتصال رعایت شرایط زیر الزامی است:

1.حداقل نسبت دهانه آزاد تیر به عمق مقطع

قاب‌های خمشی ویژه: L /d_b ≥7

قاب‌های خمشی متوسط: L/d_b ≥ 5

  در شکل بالا طول دهانه آزاد و عمق تیر مشخص شده‌اند.

2.عدم تعبیه سوراخ دسترسی جهت انجام جوش شیاری تیر به ورق انتهایی در دو انتهای تیر

3.ناحیه حفاظت شده در دو انتهای تیر، به‌صورت زیر در نظر گرفته شود.

الف- اتصالات فلنجی بدون استفاده از سخت‌کننده (لچکی):

ناحیه حفاظت شده = min{d_b,3b_f }

ب- اتصالات فلنجی با استفاده از سخت‌کننده (لچکی):

    ناحیه حفاظت شده =L_st+ min{d_b/2  ,3b_f }

تعریف عمق و پهنای تیر و طول سخت کننده در اتصالات فلنجی

در اتصالات فلنجی محل تشکیل مفصل پلاستیک به‌صورت زیر می‌باشد:

الف- اتصالات فلنجی بدون استفاده از سخت‌کننده (لچکی):

 محل تشکیل مفصل پلاستیک = S_h=min{d_b/2 ,3b_f }

ب- اتصالات فلنجی با استفاده از سخت‌کننده (لچکی):

پلاستیک مفصل تشکیل محل=S_h=L_st+t_p

عمق مقطع ستون باید کمتر از 1000 میلی متر باشد.

✅ ادامه مطالب این بخش را در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

بخش اول: طراحی اتصال فلنجی چهارپیچی بدون سخت‌کننده

دهانه‌ای را فرض نمایید که طول خالص دهانه 5.5 بوده و هدف، طراحی یک اتصال فلنجی برای تیر ورق شکل زیر می‌باشد.

بار مرده‌ی وارد بر تیر 2 ton/m و بار زنده هم 1 ton/m می‌باشد. فولاد مورداستفاده از نوع فولاد نرمه بوده و مشخصات آن عبارتند از:

E = 2.04 × 10⁶ kg/cm² 

F_y = 2400 kg/cm² 

F_u = 3700 kg /cm²

حل:

مشخصات هندسی مقطع به شرح زیر محاسبه می‌باشند:

✔️کنترل فشردگی لرزه‌ای مقطع انتخابی

در مرحله اول مطابق با بند زیر، در سازه‌هایی با شکل‌پذیری متوسط و ویژه باید محدودیت‌های فشردگی لرزه‌ای مقطع کنترل شوند.

همانطورکه در بند فوق اشاره شده است، برای کنترل فشردگی لرزه‌ای باید از جدول 10-3-4 استفاده شود. در صفحات بعد قسمت‌هایی از این جدول که مربوط به مقاطع تیر ورق I شکل می‌باشد، نمایش داده شده است.

کنترل شرایط فشردگی لرزه‌ای برای بال مقاطع I شکل:

دقت شود که مقدار R_y برای مقاطع ساخته شده از تیر ورق مطابق با جدول 10-3-2-1 برابر 1/15 می باشد. حال بال تیرورق را برای این شرایط کنترل می‌کنیم:

b/t=10 /1/5 = 6/67 ≤ 8/24→پذیری شکل دو هر شرایط تأمین

جدول کنترل فشردگی لرزه‌ای بال تیر

✔️کنترل شرایط فشردگی لرزه‌ای برای جان مقاطع I شکل

برای این کار ابتدا مقدار پارامتر C_a مطابق فرمول زیر محاسبه شود. در این فرمول α_s برابر 1 (زیرا از روش LRFD استفاده شده است) و P_r مقدار نیروی محوری است.

در نتیجه بال و جان تیرورق شرایط فشردگی لرزه‌ای برای هر دو حد شکل‌پذیری متوسط و ویژه را دارا هستند.

جدول کنترل فشردگی لرزه‌ای جان تیر

✔️طراحی اتصال

با مشخص‌شدن مشخصات هندسی و همچنین کنترل فشردگی لرزه‌ای مقطع، می‌توان گام‌های طراحی اتصال را آغاز نمود. این گام‌ها به‌صورت خلاصه عبارتنداز:

گام 1: محاسبه مقاومت خمشی و برشی مورد نیاز اتصال
گام 2: مشخص نمودن پارامترهای هندسی اتصال با توجه به نوع آن
گام 3 : بدست آوردن قطر مورد نیاز برای اتصال (قطر پیچ)
گام 4 : انتخاب قطر پیچ مورد استفاده با توجه به محاسبات گام قبل
گام 5 : محاسبه حداقل ضخامت مورد نیاز ورق اتصال
گام 6 : انتخاب ورق مورداستفاده با توجه به محاسبات گام قبل
گام 7 : محاسبه‌ی نیروی ضریب‌دار بال تیر
گام 8 : کنترل تسلیم برشی ورق اتصال
گام 9 : کنترل گسیختگی برشی ورق اتصال
گام 10 : کنترل مقاومت برشی پیچ‌ها
گام 11 : کنترل مقاومت اتکایی در جدار سوراخ پیچ

✅ توضیحات مفصل گام‌های فوق و محاسبات مربوط به ستون و بررسی ضوابط مربوط به آن را در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

✔️محاسبه مقاومت اتکایی ورق

همانطورکه گفته شد، در این اتصال از 4 پیچ 27 استفاده می‌گردد و از ورق با مشخصات شکل صفحه بعد به عنوان ورق انتهایی اتصال استفاده شده است. ابعاد شکل بر حسب میلی‌متر هستند. با توجه به فرمول 10-2-9-13 خواهیم داشت:

R_ni=2/4d_b×t×F_u= 2/4×2/7×3×3600 = 69984  kg = 69/98 ton

با توجه به این که 4 پیچ برای اتصال استفاده شده، مقاومت اتکائی ورق انتهایی برابر خواهد بود با:

R_n= 4 R_ni= 4 ×69/98 = 279/94 ton

در نهایت خواهیم داشت:

V_u≤‌ɸ_n R_n → 29/37 ≤ 0/9 × 279/94 = 251/95   ok

مشخصات ورق انتهایی اتصال

پس از محاسبات فوق، فاصله سوراخ‌ها تا لبه با توجه به جدول زیر از مبحث دهم باید کنترل گردد:

جدول حداقل فاصله مرکز سوراخ استاندارد تا لبه در هر راستا

در این جدول d_b قطر اسمی پیج‌ها است که برابر با 27 میلی‎‌متر می‌باشد. در نتیجه حداقل فاصله‌ی مرکز سوراخ تا لبه در هر راستا، در صورتی که بریدن به کمک قیچی انجام شود، 54 میلی‌متر و در صورتی که با شعله یا اره انجام شود، 40.5 میلی‌متر خواهد بود. همانطورکه در شکل 10 هم مشاهده می‌شود، فاصله‌ی مرکز سوارخ ها تا لبه 50 میلیمتر می‌باشد. بنابراین بریدن با استفاده از قیچی مجاز نبوده و باید به کمک شعله اتوماتیک و یا اره این کار انجام شود.

✔️محاسبه مقاومت اتکایی ستون

مشخصات مقطع ستون در شکل زیر ارائه شده است. دقت شود که تنش تسلیم فولاد ستون نیز 2350kg/cm² در نظر گرفته شده است.

ابعاد مقطع ستون

با توجه به اطلاعات ارائه شده از ستون:

t=2/5 cm

دقیقاً مشابه با ورق انتهایی در اینجا نیز خواهیم داشت:

R_ni=2/4d_b×t×F_u = 2/4 × 2/7 × 2/5 × 3600 = 58320  kg = 58/32  ton

با توجه به این که 4 پیچ برای اتصال استفاده شده، مقاومت اتکائی ورق انتهایی برابر خواهد بود با :

R_n=4 R_ni=4 × 58/32 = 233/28 ton

در نهایت خواهیم داشت:

V_u≤‌ɸ_n R_n → 29/37 ≤ 0/9 × 233/28 =209/95  ok

✅ با پایان کنترل‌های لازم، ورق اتصال و جزئیات آن طراحی گردید. حال ستون هم باید طراحی شود که مراحل آن مشابه باحالت قبل به‌صورت گام‌به‌گام در متن اصلی ایبوک توضیح داده شده است.

بخش دوم: طراحی اتصال گیردار فلنجی چهارپیچی با سخت‌کننده

در بخش گذشته یک نمونه اتصال فلنجی بدون سخت‌کننده انجام شد، در این بخش اتصالی مشابه، این بار با استفاده از سخت‌کننده طراحی خواهد شد. مشخصات مقطع مورد نظر دقیقاً مشابه با بخش قبل می‌باشد که در ادامه این مشخصات دوباره نشان داده شده‌اند.

طول خالص (نه اکس به اکس) دهانه‌ی مدنظر 5.5 متر بوده و مشخصات مقطع تیر در شکل‌های زیر مشاهده می‌شوند.

بار مرده‌ی وارد بر تیر 2 ton/m  و بار زنده هم 1 ton/m می‌باشد. فولاد مورداستفاده از نوع فولاد نرمه بوده و مشخصات آن عبارتند از:

E = 2.04 × 10⁶ kg/cm² 

F_y = 2350 kg/cm²

F_u = 3600 kg /cm²

حل:

مشخصات هندسی مقطع پس از محاسبه، به شرح زیر می‌باشند:

مشخصات مقطع موردنظر دقیقاً مشابه با بخش قبل می‌باشد که در جدول فوق و شکل زیر مجدداً ارائه شده است.

✔️کنترل شرایط فشردگی لرزه‌ای برای بال مقاطع I شکل:

 کنترل شرایط فشردگی لرزه‌ای برای جان مقاطع I شکل به چه صورت است؟

با مشخص شدن مشخصات هندسی و همچنین کنترل فشردگی لرزه‌ای مقطع، گام‌های طراحی اتصال را می‌توان آغاز نمود:

گام 1: محاسبه مقاومت خمشی و برشی مورد نیاز اتصال
گام 2: مشخص نمودن پارامترهای هندسی اتصال با توجه به نوع آن
گام 3: بدست آوردن قطر مورد نیاز برای اتصال (قطر پیچ)
گام 4: انتخاب قطر پیچ مورد استفاده با توجه به محاسبات گام قبل
گام 5: محاسبه حداقل ضخامت مورد نیاز ورق اتصال
گام 6 : انتخاب ورق مورداستفاده با توجه به محاسبات گام قبل
گام 7 : محاسبه‌ی نیروی ضریب‌دار بال تیر
گام 8 : کنترل‌های مربوط به هندسه ورق‌های لچکی
گام 9 : کنترل مقاومت برشی پیچ‌ها
گام 10 : کنترل مقاومت اتکایی در جدار سوراخ پیچ

✅ همانطورکه در ابتدای بخش گذشته هم گفته شد، علاوه بر این گام‌ها که برای طراحی اتصال، ورق انتهایی و پیچ‌های موردنیاز می‌باشند، ستون هم باید مورد بررسی قرار گرفته تا در محل اتصال، ستون الزامات لازم را ارضا نماید که این کنترل‌ها به طور مفصل در متن اصلی ایبوک انجام خواهند شد.

پرسش و پاسخ

منابع

1. طراحی انواع اتصالات سازه‌های فولادی، نادر فنائی، انتشارات دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی.
2. اتصالات در سازه‌های فولادی، صمد آقازاده، پویا آقازاده، انتشارات فدک ایساتیس.
3. آیین‌نامه‌ی طراحی سازه‌های فولادی ایران، مبحث دهم، ویرایش سال 1401.
4. Seismic-provisions-for-structural-steel-buildings-ansi-aisc-341-22
5. Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications, AISC358-22
6. Specification for Structural Steel Buildings, AISC 360-22

• علائم و تعاریف
• انواع اتصالات در سازه‌های فولادی
  • اتصالات قاب‌های خمشی
• اتصال فلنجی چیست؟
  • مزایا و معایب اتصال فلنجی
  • ضوابط اتصالات فلنجی
• طراحی اتصال فلنجی چهار پیچی بدون سخت‌کننده
  • کنترل فشردگی لرزه‌ای مقطع انتخابی
  • طراحی اتصال
  • کنترل ستون
• طراحی اتصال فلنجی چهار پیچی با سخت‌کننده
  • کنترل فشردگی لرزه‌ای مقطع انتخابی
  • طراحی اتصال
  • کنترل ستون
•  نتیجه گیری
•  پرسش و پاسخ

• ثبت شده در
  وزارت ارشاد
• دانلود سریع
  پس از پرداخت
• ضمانت ارسال
  بروزترین نسخه کتاب