انواع اتصالات سوله؛ طراحی و اجرای اتصالات کلیدی

با مطالعه این مقاله چه می آموزید؟

• 1. علائم و تعاریف
• 2. آشنایی شماتیک با قسمت‌های مختلف سوله
• 3. بررسی اتصالات تیر به ستون (اتصالات گوشه)
  • 1.3. اتصال فلنجی (ورق انتهایی و پیچ) یا (ورق سر)
  • 2.3. اتصال ساعتی
  • 3.3. اتصال تیر به ستون در ناحیه داخلی رفتر
• 4. مشخصات و محدودیت فاصله سوراخ‌ها از لبه و از یکدیگر در اتصالات پیچی
• 5. طراحی و کنترل اتصالات تیر به ستون (اتصالات گوشه)
  • 1.5. محاسبه نیروهای طراحی
  • 2.5. کنترل جداشدگی صفحات
  • 3.5. محاسبه تنش همسو با مقاومت نهائی طراحی بولت‌ها
  • 4.5. کنترل برش در پیچ‌ها
  • 5.5. کنترل ضخامت ورق
  • 6.5. بررسی و کنترل برش در چشمه اتصال
• 6. بررسی اتصالات راس قاب (اتصالات تاج)
• 7. اتصالات ستون به فونداسیون
  • 1.7. بارهای وارد بر صفحه ستون
  • 2.7. طراحی ورق صفحه ستون
• 8. مهاربندهای سقفی و طولی در سوله
  • 1.8. مهاربندی‌های سقفی در سوله
  • 2.8. مهاربندهای طولی در سوله
• 9. طراحی اتصالات وال پست
  • 1.9. تعیین نیروی طراحی
  • 2.9. تعیین تعداد پیچ‌ها
  • 3.9. تعیین فاصله بادخور و طول سوراخ لوبیایی
  • 4.9. طراحی ورق اتصال
• 10. اتصالات استرات‌ها
  • 1.10. تعیین نیروی طراحی اتصال
  • 2.10. تعیین تعداد پیچ مورد نیاز
  • 3.10. ضخامت ورق انتهائی
  • 4.10. طراحی جوش استرات به جان ستون
  • 5.10. سخت‌کننده جان ستون
• 11. جرثقیل و اتصالات آن
• 12. پرسش و پاسخ
• 13. نتبجه گیری
• 14. منابع

1. علائم و تعاریف

در این بخش علائم اختصاری و تعاریف اصطلاحات استفاده شده در این مقاله را با هم بررسی و تعریف می‌کنیم.

2. آشنایی شماتیک با اجزای مختلف سوله

قاب اصلی سازه سوله به‌طور عمده از ستون‌ها و تیرهای مورب تشکیل می‌شود. تیرهای مورب در این نوع سازه‌ها به دلایل مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به افزایش ارتفاع مفید سوله و تأمین قید کنترل خیز در تیرها اشاره کرد. در سوله‌ها، به دلیل طول بلند تیرها، خطر بروز خیز (تغییر‌شکل تحت بار) به‌ویژه در تیرهای افقی زیاد است و این امر می‌تواند بر ابعاد تیر تأثیرگذار باشد.

رفتر سوله چیست؟

به تیرهای مورب در سازه‌های سوله معمولاً “رفتر” گفته می‌شود.

در طراحی سقف سوله‌ها، معمولاً بار زیادی بر روی سقف وارد نمی‌شود و از آن بیشتر به عنوان پوششی برای محافظت در برابر عوامل جوی و محیطی استفاده می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود که در برخی مواقع، به منظور کاهش وزن مصالح مصرفی و بهینه‌سازی هزینه‌ها، از سازه‌های خرپایی در طراحی رفترهای سوله استفاده گردد. در این حالت، رفترها به‌جای استفاده از تیرهای ورق، به‌طور معمول از مجموعه‌ای از المان‌های دو نیرویی و دوسر مفصل تشکیل می‌شوند.

طول دهانه‌های عرضی سوله‌ها به دلیل نیاز به فضای باز مناسب برای انجام فعالیت‌های صنعتی و تجاری، معمولاً زیاد است. این نیاز به دهانه‌های بلند، در طراحی و نصب تیرها، تغییرات قابل توجهی ایجاد می‌کند و باعث می‌شود که تیرها با زاویه‌های خاص و در اشکال متفاوت نسبت به تیرهای افقی طراحی شوند. اما در راستای طولی سوله، به‌دلیل عدم نیاز به دهانه‌های بزرگ، معمولاً فاصله تیرها به‌صورت متعارف و مشابه با سازه‌های معمولی در نظر گرفته می‌شود.

بنابراین، المان‌های باربر در این جهت معمولاً به‌صورت سازه‌های متداول و کلاسیک طراحی و نصب می‌شوند. این ویژگی‌ها در طراحی و تحلیل سازه‌های سوله نقش مهمی ایفا می‌کنند و باعث می‌شوند تا نیازهای سازه‌ای و عملکردی سوله‌ها به‌طور بهینه و مطابق با استانداردهای طراحی، برآورده شود.

شکل 1. اجزای تشکیل دهنده سوله

در صورت استفاده از تیر ورق در راستای عرضی، در واقع از سیستم قاب خمشی برای تحمل بارهای جانبی شامل بارهای ناشی از باد و زلزله استفاده می‌شود. این نوع سیستم باربر جانبی، بر اساس آیین‌نامه‌های معتبر و استانداردهای ساخت‌وساز، به سه دسته قاب خمشی معمولی، متوسط و ویژه تقسیم‌بندی می‌شود. تفاوت اصلی این سیستم‌ها در میزان شکل‌پذیری و تغییرشکل‌های قابل تحمل آن‌ها هنگام اعمال بارهای جانبی است. به عبارت دیگر، این دسته‌بندی بر اساس قابلیت سازه برای تحمل تغییرات هندسی و جذب انرژی در شرایط بارگذاری جانبی مانند باد و زلزله صورت گرفته است.

در سیستم قاب خمشی ویژه، انتظاری که از سازه وجود دارد این است که بتواند تحت اثر بارهای لرزه‌ای، تغییرشکل‌های قابل توجهی را بدون ایجاد خرابی‌های شدید تحمل کرده و در عین حال نیروهای لرزه‌ای وارده را به نحو مؤثر مستهلک نماید. به این منظور، باید بخش‌هایی از سازه که تحت بارگذاری‌های شدید قرار دارند، قادر به پذیرش تغییرشکل‌های زیاد باشند و انرژی لرزه‌ای را از طریق تغییرشکل‌های الاستیک و غیر الاستیک خود جذب کنند.

این ویژگی به سازه اجازه می‌دهد که به‌طور مؤثری بارهای زلزله را به صورت توزیع‌شده و بدون خرابی عمده تحمل کند، در حالی که از نظر عملکردی و پایداری کلی سازه آسیب‌های جدی به آن وارد نشود. حال با توجه به توضیحات مذکور، به دلیل وزن پایین سوله‌های متداول و بار زلزله نسبتاً کم آن‌ها، معمولاً بار زلزله تأثیر قابل توجهی در طراحی این سوله‌ها ندارد. در نتیجه، در بسیاری از موارد، بار باد به عنوان بار غالب و کنترل‌کننده در نظر گرفته می‌شود. در چنین شرایطی، به جای استفاده از قاب‌های خمشی ویژه که نیاز به شکل‌پذیری بالاتری دارند، می‌توان از قاب‌های خمشی با شکل‌پذیری کمتر مانند قاب خمشی معمولی بهره برد. این انتخاب به دلیل کاهش نیاز به تغییرشکل‌های عمده و بهینه‌سازی هزینه‌های اجرایی و طراحی مناسب است.

در ادامه، نظر نشریه 038 صنعت نفت در خصوص نحوه انتخاب نوع قاب خمشی برای سازه‌های مختلف آورده شده است که مبنای تصمیم‌گیری در انتخاب نوع سیستم باربر جانبی در پروژه‌های مختلف می‌باشد.

بر اساس جدول ۴-۴ (ردیف پ-۳) و بند ۳ از تبصره‌های جدول مذکور، در صورتی که وزن واحد سطح پوشش سقف‌ها و دیوارها کمتر از 100 کیلوگرم بر مترمربع باشد، با این شرط که دیوارهای سنگین‌تر در ترازی کمتر از ۱۰ متر قرار گرفته باشند، استفاده از سیستم قاب خمشی معمولی و مهاربندی همگرای معمولی تا ارتفاع ۲۰ متر مجاز است. این موضوع به‌طور خاص در بخش‌های مختلف آیین‌نامه‌های مرتبط با طراحی سازه‌های فولادی به‌منظور تسهیل در انتخاب سیستم‌های مقاومتی مناسب در شرایط خاص بیان شده است.

در این آیین‌نامه، ضرایب مربوط به این سیستم‌ها به‌طور دقیق و با جزئیات خاصی ارائه شده‌اند که در طراحی سازه‌های مقاوم و تحلیل بارهای وارد بر آن‌ها می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. این ضرایب نه‌تنها به بهینه‌سازی عملکرد سازه‌ها کمک می‌کنند، بلکه به طراحان امکان انتخاب سیستم‌های مقاومتی مناسب برای شرایط خاص را نیز می‌دهند تا ایمنی و کارایی سازه در برابر بارهای مختلف تأمین گردد.

شکل 2. مشخصات قاب‌های خمشی در نشریه 038 صنعت نفت

انواع اتصالات سوله عبارتند از:

در ادامه به ارائه توضیحاتی از هر کدام از اتصالات اشاره شده پرداخته خواهد شد.

3. بررسی اتصالات تیر به ستون (اتصالات گوشه)

به طور کلی اتصالات تیر به ستون به سه دسته‌ی زیر تقسیم می‌شوند:

در ادامه جزییات هر یک از این اتصالات توضیح داده خواهد شد.

1.3. اتصال فلنجی (ورق انتهایی و پیچ) یا (ورق سر)

در بین انواع اتصالات سوله، اتصال فلنجی (ورق انتهایی و پیچ) یا ورق سر یکی از پرکاربردترین روش‌ها برای اتصال تیر به ستون است. در این نوع اتصال، تیر و ستون از طریق یک صفحه ضخیم به یکدیگر متصل می‌شوند تا نیروهای سازه‌ای به‌طور مؤثر منتقل شوند. ابعاد صفحه، نوع و تعداد پیچ‌ها بر اساس ضوابط و آیین‌نامه‌های مهندسی تعیین می‌شود؛ این معیارها شامل مقاومت برشی پیچ‌ها، ظرفیت تحمل بار صفحه و شرایط طراحی اجرایی هستند. در ادامه، به تحلیل دقیق ضوابط آیین‌نامه‌ای مرتبط با طراحی این اتصال پرداخته می‌شود تا مشخص شود چگونه این مقادیر برای حصول بهترین عملکرد اتصال بهینه‌سازی می‌شوند.

شکل 3. اتصال فلنجی

این نوع اتصال به دلیل اجرای استاندارد و صنعتی در کارخانه و دقت اجرایی بالا در محل، دارای کیفیت بالایی بوده و می‌توان گفت رایج‌ترین نوع اتصال در سوله‌ها می‌باشد.

شکل 4. شکل شماتیک از اجرای اتصالات فلنجی

برای تعیین ناحیه بحرانی تیر (d) در میان انواع اتصالات سوله، می‌توان از جدول 10-3-7-2 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان استفاده نمود. این جدول، که ابعاد و ویژگی‌های مختلف اتصالات تیر به ستون را به‌ویژه در ناحیه بحرانی مشخص کرده است، راهنمایی ضروری برای انجام محاسبات صحیح در طراحی سازه‌های مقاوم در برابر بارهای لرزه‌ای فراهم می‌آورد.

اگر اتصال تیر به ستون در ناحیه بحرانی قرار گیرد و طراحی سازه شامل قاب خمشی متوسط یا ویژه باشد، محاسبات باید بر اساس بند 10-3-3-3 مبحث دهم انجام شود. این بند به چگونگی استفاده از اتصالات و روش‌های اجرایی برای اینگونه اتصالات تأکید دارد و رعایت دقیق آن در طراحی مقاوم در برابر زلزله ضروری است.

بر اساس این بند، استفاده از پیچ‌های اصطکاکی در اتصالات لرزه‌ای، همانند اتصالات تیر به ستون در سوله‌ها، الزامی است و این اتصالات باید با چهار یا هشت پیچ طراحی و اجرا شوند تا مقاومت و پایداری اتصال در برابر نیروهای لرزه‌ای تضمین شود. جزئیات و محدودیت‌های ابعادی مربوط به اتصالات فلنجی در این ناحیه بحرانی، در جدول 10-3-7-2 مبحث دهم آمده است. این جدول همراه با نمودارها، مرجع اصلی برای طراحی اتصالات تیر به ستون در انواع اتصالات سوله محسوب می‌شود. در ادامه، نمونه‌ای از این جزئیات و محدودیت‌ها در شکل زیر آورده شده است.

با توجه به افزایش ارتفاع جان تیر، مشاهده می‌شود که فاصله میان پیچ‌ها نیز به طور طبیعی افزایش می‌یابد. این افزایش فاصله می‌تواند منجر به برقراری اتصالاتی شود که معمولاً از نظر ضوابط آیین‌نامه‌ای، به ویژه از نظر حداکثر فاصله مجاز پیچ‌ها، خارج از محدوده استاندارد قرار می‌گیرد. بنابراین، برای تضمین صحت عملکرد این اتصالات و ارزیابی مقاومت آن‌ها تحت بارهای مختلف، ضروری است که آزمایش‌های میدانی و آزمایشگاهی دقیق‌تری انجام گیرد تا تأثیرات این تغییرات در رفتار اتصالات به‌طور عملی تایید شود. در ادامه، تحلیل نقاط قوت و ضعف این نوع اتصالات در مواجهه با بارگذاری‌های مختلف و شرایط عملیاتی مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

در یک سوله صنعتی، اتصال تیر به ستون با استفاده از یک اتصال گیردار فلنجی طراحی شده است. با توجه به اطلاعات ارائه‌شده در ادامه، مراحل حل و کنترل طراحی این اتصال را به‌طور کامل تشریح می‌کنیم. در فرآیند حل، موارد زیر را بررسی می‌کنیم:

1. نیروهای وارد بر اتصال : تعیین نیروهای برشی، محوری و خمشی وارد بر تیر و ستون و نحوه توزیع آن‌ها در اتصال.
2. طراحی و کنترل پیچ‌ها : بررسی کفایت پیچ‌های استفاده‌شده از نظر مقاومت کششی، برشی و ترکیب این دو.
3. طراحی و کنترل جوش‌ها : بررسی جوش‌های مورد استفاده برای اتصال ورق‌ها و کنترل آن‌ها براساس معیارهای طراحی.
4. کنترل پایداری جان و بال ستون : بررسی کمانش موضعی، لهیدگی موضعی و تسلیم موضعی جان و بال ستون.
5. کنترل سخت‌کننده‌ها و ورق‌های پیوستگی : بررسی نیاز به سخت‌کننده‌ها و ورق‌های پیوستگی برای تأمین مقاومت و پایداری مورد نیاز اتصال.
6. کنترل نهایی و نتیجه‌گیری : بررسی کفایت نهایی اتصال بر اساس معیارهای طراحی و استانداردهای مربوطه.

جدول 1. مشخصات اتصال گیردار فلنجی کُنج سوله (قاب خمشی معمولی)

محاسبه نیروهای طراحی اتصال (طبق بند 10-3-5-4)

محل تار خنثی

ممان اینرسی مقطع موثر

کنترل کفایت پیچ بحرانی تحت لنگر خالص

کنترل کفایت پیچ‌ها تحت برش خالص

کنترل کفایت پیچ‌ها تحت برش و لنگر همزمان (بند 10-2-9-3-4)

نیروی ضریبدار بال تیر (بر اساس تئوری خطوط تاثیر) طبق بند 10-2-9-4

   کنترل تسلیم برشی ورق فلنجی

کنترل گسیختگی برشی ورق فلنجی

کنترل گسیختگی برشی پیچ‌ها (طبق بند 10-2-9-3-3)

کنترل مقاومت اتکایی ورق در جداره سوراخ‌های فلنج (طبق بند 10-2-9-3-7 )

ضوابط سخت‌کننده طبق بند 10-3-13-3-7

طراحی جوش ورق سخت‌کننده

طراحی جوش دوطرفه ورق جان تیر به فلنجی

کنترل تسلیم موضعی بال ستون طبق بند 10-2-9-10-1

کنترل تسلیم موضعی جان ستون طبق بند 10-2-9-10-2

کنترل لهیدگی موضعی جان ستون طبق بند 10-2-9-10-3-2-1

کنترل کمانش فشاری جان جان ستون طبق بند 10-2-9-10-5

نیروی کششی ماکزیمم

نیروی فشاری ماکزیمم

طراحی ورق پیوستگی

بر اساس نیروی کششی ماکزیمم

بر اساس نیروی فشاری ماکزیمم (بند 10-2-9-10-7)

مساحت ستون فرضی

کنترل برش در چشمه اتصال طبق بند 10-2-9-10-6 (تعداد تیر متصل به ستون=1)

2.3. اتصال ساعتی

یکی دیگر از انواع اتصالات سوله اتصال ساعتی است این نوع اتصال فقط در قاب‌های خمشی معمولی کاربرد دارد. در این اتصال، بال‌های انتهایی تیر و ستون در محل اتصال به‌صورت سطوح مسطح بر روی یکدیگر قرار گرفته و از طریق سوراخ‌هایی که محیط یک دایره را تشکیل می‌دهند، به یکدیگر متصل می‌شوند. این سوراخ‌ها معمولاً در هر دو عضو تیر و ستون تعبیه شده و به‌وسیله پیچ‌ها یا پرچ‌ها اتصال پیدا می‌کنند. طراحی و اجرای این نوع اتصال در سازه‌های فلزی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا نحوه توزیع تنش‌ها و انتقال نیروهای برشی و ممان‌ها باید با دقت محاسبه شود تا عملکرد سازه در برابر بارهای مختلف بهینه باشد. علاوه بر این، استفاده از چنین اتصالاتی در سازه‌های صنعتی و فلزی، به دلیل سادگی در اجرا و سرعت بالای نصب، یک روش کارآمد و اقتصادی محسوب می‌شود.

شکل 5. دیتیل اتصال ساعتی

شکل 6. برش اتصال ساعتی

این نوع اتصال در گذشته بسیار پرکاربرد بوده است ولی در حال حاضر اتصال فلنجی به علت مزیت‌های بالا و راحتی در اجرا جایگزین آن شده است.

3.3. اتصال تیر به ستون در ناحیه داخلی رفتر

در طراحی انواع اتصالات سوله برای سازه‌های دارای قاب خمشی متوسط و ویژه، یکی از مسائل مهم، انتخاب نوع و شرایط اجرایی اتصالات تیر به ستون است. به‌ویژه در مواردی که اتصال در محل رفتر به ستون قرار می‌گیرد، مطابق با مقررات مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، استفاده از اتصالات از پیش‌تأیید‌شده امری ضروری است که عمدتاً شامل اتصالات فلنجی ۴ پیچی یا ۸ پیچی می‌شوند.

این الزام به دلیل پیچیدگی‌های محاسباتی و اجرایی این نوع اتصالات است که نیازمند رعایت دقیق دستورالعمل‌های آیین‌نامه‌ای است. در این راستا، روش اتصال مستقیم جوشی درختی (Welded Unreinforced Flange – WUF) برای اتصال تیر به ستون پیشنهاد شده است که پس از انتقال محل وصله به خارج از ناحیه محافظت‌شده، اجرا می‌شود. از جمله مزایای این روش می‌توان به کاهش پرت مصالح، افزایش کارایی اجرایی، بهینه‌سازی انتقال نیروها و کاهش نیاز به سخت‌کننده‌های اضافی اشاره کرد.

ویژگی مهم این روش، توزیع مناسب نیروها و کنترل نحوه شکست سازه است، به‌گونه‌ای که تخریب کنترل‌شده به‌جای تمرکز در ناحیه بحرانی، به سایر نقاط تیر منتقل گردد. این امر باعث افزایش ایمنی، دوام سازه و کاهش خطر تخریب ناگهانی تحت بارهای دینامیکی و استاتیکی می‌شود. علاوه بر همخوانی با الزامات آیین‌نامه‌ای، روش WUF از نظر اجرایی و اقتصادی بهینه بوده و موجب کاهش پیچیدگی‌های ساخت و نصب می‌شود.

رعایت دقیق ضوابط مرتبط با انتقال نیروها، مشخصات نواحی بحرانی تیر و ستون و کنترل تغییر شکل‌های موضعی همراه با این نوع اتصال، نقش مهمی در بهبود عملکرد لرزه‌ای، افزایش پایداری و مقاومت کلی سازه ایفا می‌کند و آن را به گزینه‌ای مناسب برای قاب‌های خمشی متوسط و ویژه تبدیل می‌کند.

شکل 7. اتصال تیر و ستون (اتصال از پیش‌تائیدشده‌ی 8 پیچه) در ناحیه داخلی رفتر (خارج از ناحیه بحرانی تیر)

4. مشخصات و محدودیت فاصله سوراخ‌ها از لبه و از یکدیگر در اتصالات پیچی

بر اساس شکل 10-2-9-15 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، انواع سوراخ‌ها به اشکال زیر تقسیم‌بندی می‌شوند. همچنین ابعاد استاندارد سوراخ پیچ‌ها مطابق جدول 10-2-9-6 می‌باشد.

حداقل فاصله مرکز تا مرکز سوراخ‌های استاندارد، سوراخ‌های بزرگ شده و لوبیایی نباید از 3 برابر قطر پیچ‌ها کمتر باشد. همچنین مقادیر حداقل فاصله پیچ‌ها از لبه در هر راستا بایستی مطابق جدول 10-2-9-7 مبحث دهم از مقررات ملی ساختمان به شرح ذیل می‌باشد.

محدودیت‌های مربوط به حداکثر فواصل پیچ‌ها از لبه و از یکدیگر مطابق توضیحات ذیل می‌باشد.

بند آیین‌نامه‌ای مذکور از مبحث 10 مقررات ملی ساختمان ایران به تعیین حداکثر فاصله‌های مجاز برای سوراخ‌ها در قطعات فولادی و اتصالات پیچی پرداخته است تا از ایجاد تنش‌های غیرضروری و آسیب‌های ساختاری جلوگیری شود.

این مقررات یکی از نکات کلیدی در طراحی انواع اتصالات سوله محسوب می‌شود و شامل دو بخش اصلی است:

1. حداکثر فاصله مرکز سوراخ تا نزدیک‌ترین لبه قطعه:
در قطعات رنگ‌شده و قطعاتی که احتمال زنگ‌زدگی و خوردگی ندارند، فاصله از مرکز هر سوراخ تا نزدیک‌ترین لبه قطعه نباید از 12 برابر ضخامت نازک‌ترین قطعه و 150 میلی‌متر بیشتر شود.
در قطعات رنگ‌نشده که تحت تأثیر خوردگی ناشی از عوامل جوی قرار دارند، فاصله مرکز سوراخ تا لبه قطعه نباید از 8 برابر ضخامت نازک‌ترین قطعه و 125 میلیمتر بیشتر شود.
2. حداکثر فاصله مرکز تا مرکز سوراخ‌ها در اتصالات پیچی:
در قطعات رنگ‌شده و قطعاتی که احتمال زنگ‌زدگی و خوردگی ندارند،، فاصله مرکز سوراخ‌ها نباید از 24 برابر ضخامت نازک‌ترین قطعه متصل‌شونده و 300 میلی‌متر بیشتر شود.
در قطعات رنگ‌نشده که تحت تأثیر خوردگی ناشی از عوامل جوی قرار دارند، فاصله مرکز تا مرکز سوراخ‌ها نباید از 14 برابر ضخامت نازک‌ترین قطعه متصل‌شونده و 180 میلی‌متر بیشتر شود.

این مقررات برای جلوگیری از مشکلات اساسی ناشی از فاصله‌های غیرمجاز سوراخ‌ها و لبه‌ها طراحی شده است و تضمین می‌کند که قطعات به‌طور بهینه عمل کنند و از بروز خوردگی، زنگ‌زدگی، و شکست‌های مکانیکی در اتصالات و قطعات جلوگیری شود.

5. طراحی و کنترل اتصالات تیر به ستون (اتصالات گوشه)

طراحی و کنترل اتصالات گوشه را به صورت خلاصه می‌توان به چهار گام اصلی زیر تقسیم نمود:

1.5. محاسبه نیروهای طراحی

اگر اتصال تیر به ستون به‌صورت مستقیم اجرا شود، ضروری است که الزامات لرزه‌ای مربوط به اتصالات تیر به ستون در قاب‌های خمشی مربوطه به‌طور کامل رعایت گردد. در مواردی که از قاب خمشی معمولی استفاده می‌شود، الزامات مشخص‌شده در بند 10-3-3-1-4 آیین‌نامه باید به‌طور دقیق تأمین شوند. این الزامات شامل طراحی اتصال برای نیروی خمشی و برشی اعلام‌شده در این بند است که نیازمند تحلیل و طراحی دقیق بر اساس اصول مکانیک سازه و رفتار لرزه‌ای می‌باشد. رعایت این موارد نقش کلیدی در تأمین ایمنی و عملکرد سازه در برابر نیروهای لرزه‌ای دارد.

چنانچه در میان انواع اتصالات سوله از وصله فلنجی برای اتصال تیر به ستون استفاده شود، ضروری است الزامات و مقررات مربوط به وصله تیرها در قاب‌های خمشی معمولی، مطابق با مفاد بند 10-3-3-1-8 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، به‌طور کامل رعایت شوند. این الزامات شامل طراحی اتصال بر اساس نیروهای وارده مشخص‌شده در این بند می‌باشند که بر اساس اصول مهندسی سازه و تحلیل‌های پیشرفته، به‌منظور تأمین ایمنی و پایداری سازه تدوین شده‌اند.

رعایت دقیق این ضوابط از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا ارتباط مستقیم با رفتار لرزه‌ای قاب و تحمل نیروهای محوری، برشی و خمشی مورد انتظار دارد. بند آیین‌نامه‌ای مربوط به مقاومت خمشی، برشی و محوری در وصله‌های تیرها در اتصالات سوله‌ها به طراحی این وصله‌ها در برابر نیروهای مختلف اشاره دارد. مقاومت خمشی در وصله‌های تیرها باید به‌گونه‌ای باشد که اتصال قادر به مقابله با نیروهای خمشی ناشی از بارگذاری‌های سازه‌ای و محیطی باشد. همچنین، مقاومت برشی در وصله‌ها باید از آسیب‌های ناشی از نیروهای جانبی یا محوری جلوگیری کرده و از جدا شدن یا ترک خوردگی در نواحی اتصال ممانعت کند.

مقاومت محوری نیز به توانایی اتصال در مقابل نیروهای محوری وارد بر تیرها اشاره دارد که ممکن است ناشی از بارهای عمودی یا بارهای لرزه‌ای باشد، و باید به‌گونه‌ای طراحی شود که از کمانش یا شکست موضعی جلوگیری کند. در آیین‌نامه‌ها، برای وصله‌های تیرها در اتصالات سوله‌ها، مقاومت خمشی، برشی و محوری مورد نیاز باید بر اساس نوع بارگذاری، شکل هندسی تیرها، نوع اتصال، ضخامت و جنس تیرها و شرایط محیطی محاسبه شود تا از عملکرد ایمن و پایدار سازه اطمینان حاصل گردد.

2.5. کنترل جداشدگی صفحات

برای این کنترل که از الزامات طراحی اتصالات اصطکاکی می‌باشد، مورد زیر باید کنترل شود:

(تنش فشاری میانگین حاصل از پیش تنیدگی) > (تنش حداکثر حاصل از لنگر وارده بر سطح مشترک صفحات اتصال)

3.5. محاسبه تنش همسو با مقاومت نهائی طراحی بولت‌ها

برای این بخش از بند 10-2-9-3-5 مبحث دهم مقررات ملی استفاده می‌کنیم. در اتصالات لغزش بحرانی مربوط به سوله‌ها، رعایت الزامات آیین‌نامه‌ای مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در مورد مقاومت کششی و برشی پیچ‌ها ضروری است. مقاومت کششی پیچ‌ها باید بر اساس بیشینه نیروی کششی وارده، شامل بارهای ثقلی، زلزله، باد یا ترکیب آن‌ها طراحی شود و این مقاومت به عوامل مهمی همچون مقاومت تسلیم و نهایی فولاد پیچ، سطح مقطع مؤثر پیچ و نیروی پیش‌تنیدگی وابسته است. در مقابل، مقاومت برشی پیچ‌ها باید به گونه‌ای باشد که برش ناشی از بارهای وارده را تحمل کرده و از لغزش یا گسیختگی اتصال جلوگیری کند.

در این نوع اتصالات، مقاومت برشی لغزشی به نیروی پیش‌تنیدگی پیچ‌ها و ضریب اصطکاک بین صفحات متصل‌شونده بستگی دارد که کیفیت سطح تماس، نوع پوشش (مانند گالوانیزه یا زبرسازی سطح)، و دقت در پیش‌تنیدگی پیچ‌ها در آن نقش کلیدی دارند. اتصالات لغزش بحرانی برای جلوگیری از لغزش تحت نیروهای معمول طراحی می‌شوند و این ویژگی به‌ویژه در سوله‌ها که دارای دهانه‌های گسترده و نیروهای دینامیکی قابل‌توجه هستند، اهمیت بسیاری دارد. طراحی این اتصالات باید ترکیب بارهای مختلف و مقاومت‌های برشی و کششی را بر اساس روابط آیین‌نامه‌ای و معیارهای پیچ‌های پرمقاومت مدنظر قرار دهد و کنترل‌های لازم شامل نیروی کششی پیچ، نیروی برشی لغزشی و برش و کشش همزمان انجام شود. استفاده از سطوح زبر برای افزایش ضریب اصطکاک، کنترل پیش‌تنیدگی پیچ‌ها با روش‌های استاندارد و اطمینان از هم‌راستایی صفحات متصل‌شونده نیز از نکات اجرایی مهم محسوب می‌شود.

4.5. کنترل برش در پیچ‌ها

برای کنترل این موضوع از بند 10-2-9-3-6 مبحث دهم استفاده می‌شود. در اتصالات لغزش بحرانیِ پیچی در سازه‌های سوله‌ای، اثر مشترک کشش و برش باید بر اساس ضوابط آیین‌نامه‌ای تحلیل شود. این نوع اتصالات به گونه‌ای طراحی می‌شوند که لغزش بین اجزا به حداقل برسد یا حذف شود، که برای سازه‌های سبک مانند سوله‌ها با نیروهای دینامیکی نظیر باد و زلزله بسیار حیاتی است. آیین‌نامه بیان می‌کند که نیروهای کششی و برشی وارد بر پیچ‌ها باید به صورت ترکیبی تحلیل شوند.

در این تحلیل، ظرفیت کششی و ظرفیت برشی پیچ‌ها همراه با ضوابط لغزش بحرانی مانند ضریب اصطکاک سطح اتصال، پیش‌تنیدگی پیچ، و کیفیت سطح تماس (از جمله زبری و پوشش) نقش کلیدی دارند. در سازه‌های سوله‌ای با ضخامت کم اعضا و بارهای متغیر، طراحی اتصالات با مقاومت کافی در برابر اثرات ترکیبی کشش و برش، کنترل لغزش، و اطمینان از پیش‌تنیدگی مناسب پیچ‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است.

5.5. کنترل ضخامت ورق

برای کنترل ضخامت ورق اتصال می‌توان بر اساس هندسه اتصال از جداول 1-3 تا 5-3 آیین نامه AISC Design Guide 4 استفاده کرد. جداول 1-3 تا 5-3 در AISC Design Guide 4 معیارهایی برای تعیین ضخامت حداقلی ورق اتصال بر اساس هندسه و آرایش پیچ‌ها ارائه می‌دهند که هدف اصلی آن‌ها جلوگیری از خرابی‌های موضعی نظیر تسلیم موضعی، برش در ناحیه سوراخ پیچ، و کمانش خمشی است.

این جداول با در نظر گرفتن پارامترهایی همچون ابعاد ورق اتصال، اندازه و گام پیچ‌ها، فاصله سوراخ پیچ تا لبه ورق، و نوع آرایش پیچ‌ها، ضخامت مناسب را برای تحمل بارهای کششی، برشی یا ترکیبی مشخص می‌کنند. در اتصالات پیچی مربوط به سوله‌ها، که اغلب در نواحی با بارهای متمرکز یا نیمه‌متمرکز مانند اتصالات تیر به ستون یا خرپا به کار می‌روند، ضخامت ورق باید علاوه بر رعایت الزامات این جداول، با توجه به بارگذاری لرزه‌ای و دینامیکی نیز کنترل شود. همچنین، تحلیل دقیق بارگذاری با نرم‌افزارهای المان محدود، کنترل تغییرشکل‌های پلاستیک و مقاومت نهایی برای مناطق زلزله‌خیز، و رعایت حداقل فاصله سوراخ‌ها از لبه، از الزامات طراحی ایمن و اقتصادی در این نوع اتصالات هستند.

با توجه به اینکه بیشتر اتصالات از یکی از انواع اتصالات 4 پیچه و یا 8 پیچه می‌باشد، هندسه‌ی این اتصالات در مطالب قبلی قابل مشاهده و برای کنترل ضخامت ورق می‌توان استفاده کرد. در این جداول پارامترهای اصلی به شرح ذیل تعریف می‌شود:

M_u = سهم لنگر پیچ ها

y_p = پارامتر خط تسلیم ورق

F_y = مقاومت تسلیم ورق

ø = 0/9 ضریب کاهش مقاومت

پس از محاسبه پارامترهای مورد نیاز، ضخامت ورق (t_p) را با جابجایی طرفین در فرمول‌های مشخص شده به دست آورده و کنترل می‌کنیم.

همچنین برای کنترل‌های ابعاد سخت‌کننده‌ها از بند 7 بخش 10-3-7-3-3 استفاده می‌کنیم. بند مورد نظر از مبحث 10 مقررات ملی ساختمان ایران به توضیح نحوه استفاده از ورق‌های لچکی در سازه‌های فولادی پرداخته است. ورق‌های لچکی باید در امتداد جان تیر و در وسط ورق انتهایی قرار گیرند و طول آن‌ها نباید از 1.75 برابر ارتفاع لچکی‌ها (h_s) در امتداد محور ستون کمتر باشد. در طراحی ورق‌های لچکی، برش‌های عمودی و افقی به طول حدود 25 میلی‌متر در دو انتهای آن‌ها باید در نظر گرفته شده و سپس به‌صورت مورب بریده شوند. همچنین ضخامت ورق‌های لچکی نباید کمتر از ضخامت جان مقطع تیر باشد و باید به گونه‌ای انتخاب شوند که روابط 10-7-3-5 و 10-6-7-3 اقناع شوند. این نکات به‌منظور تأمین مقاومت و کارایی مناسب ورق‌های لچکی در سازه‌های فولادی و اطمینان از ایمنی و عملکرد بهینه آن‌ها در برابر نیروهای وارده مورد توجه قرار گرفته است.

6.5. بررسی و کنترل برش در چشمه اتصال

چنانچه قاب خمشی از نوع معمولی باشد، کنترل برش چشمه اتصال مطابق بند 10-3-3-1-5 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان بایستی تعیین شود. در سازه‌های فلزی نظیر سوله‌ها، چشمه اتصال به‌عنوان ناحیه‌ای در اطراف محل اتصال تیر به ستون، تحت تأثیر نیروهای داخلی ناشی از ترکیب بارها، به‌ویژه نیروی برشی ناشی از گشتاور خمشی و نیروی جانبی قرار می‌گیرد.

بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، طراحی و کنترل چشمه اتصال باید با تحلیل دقیق ظرفیت برشی جان ستون انجام شود. در اتصالات پیچی، نیروها از طریق پیچ‌ها به ستون منتقل می‌شوند، اما بخشی از برش مستقیماً توسط جان ستون جذب می‌شود، لذا توزیع یکنواخت نیروها، جلوگیری از تغییرشکل بیش از حد و کمانش موضعی ضروری است. در صورت عبور برش از ظرفیت مجاز، استفاده از سخت‌کننده‌های عمودی و افقی پیشنهاد می‌شود.

در سوله‌ها، به دلیل ابعاد بزرگ‌تر مقاطع و بارهای متمرکز بیشتر، ضخامت جان ستون و تعداد و آرایش پیچ‌ها باید به‌گونه‌ای طراحی شوند که تغییرشکل‌های غیرمجاز و خرابی در ناحیه اتصال رخ ندهد. رعایت این ضوابط، همراه با روش‌های طراحی پلاستیک و تحلیل رفتار غیرخطی، برای تضمین ایمنی سازه تحت بارهای وارده الزامی است.

اما اگر از قاب خمشی متوسط استفاده شود بایستی ضوابط و نیروهای مربوط به بند 10-3-3-2-6 کنترل شده و اتصال برای این نیروها طراحی شود.

نکته: در تحلیل سوله‌ها، معمولاً سختی چشمه اتصال به‌عنوان یک عامل موثر در محاسبات در نظر گرفته نمی‌شود. این رویکرد به دلیل ویژگی‌های خاص سوله‌ها اتخاذ می‌شود؛ چرا که در این نوع سازه‌ها، بار محوری وارده به ستون‌ها اغلب بسیار ناچیز است. بنابراین، برای تحلیل چنین سازه‌هایی، از روابط خاصی مانند رابطه‌ی الف و 1 در بند 10-2-9-10-6 استفاده می‌شود.

در این روش تحلیل، فرض بر این است که اثرات بار محوری ستون به‌طور قابل توجهی بر رفتار کلی سوله تاثیر نمی‌گذارد و به همین دلیل نیازی به در نظر گرفتن سختی چشمه اتصال نمی‌باشد. علاوه بر این، در این شرایط، ضریب کاهش مقاومت برای اجزای سوله برابر با 0.9 در نظر گرفته می‌شود. این ضریب کاهش به‌منظور لحاظ کردن تأثیرات غیرمستقیم و شرایط محیطی در تحلیل‌های سازه‌ای استفاده می‌شود تا نتایج دقیق‌تری در ارزیابی رفتار سوله‌ها حاصل گردد.

تا اینجا اتصالات تیر به ستون در سوله‌ها بررسی گردید و جزییات اجرایی و آیین نامه‌ای آن توضیح داده شد، در ادامه اتصلات رأس قاب هم مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

6. بررسی اتصالات راس قاب (اتصالات تاج)

در طراحی اتصال تیرهای چپ و راست Rafter در محل تاج (مرکز دهانه)، به‌طور معمول از اتصالات فلنجی استفاده می‌شود. این اتصالات با توجه به دو عامل کلیدی طراحی می‌شوند:

1. سهولت حمل و نقل قطعات از کارگاه به محل نصب سوله برای سوله‌سازی، که این امر با در نظر گرفتن ابعاد طولی و وزن قطعات به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که فرایند حمل و نقل به‌طور کارآمد و بدون مشکل انجام پذیرد.

2. ساده‌سازی فرآیند نصب در محل، به‌گونه‌ای که عملیات نصب بدون پیچیدگی‌های اجرایی انجام گیرد و مراحل اجرایی به‌صورت سریع و با حداقل نیاز به تغییرات یا تنظیمات اضافی صورت پذیرد.

این طراحی‌ها با هدف بهینه‌سازی کارایی ساخت و نصب، و همچنین کاهش زمان و هزینه‌های اجرایی در نظر گرفته می‌شوند.

شکل 8. اتصال تاج سوله

در قاب‌های سنگین، به دلیل افزایش بارهای خمشی، نیروهای بیشتری به تاج وارد می‌شود. برای خنثی‌سازی این نیروها، از ورق‌های مثلثی‌شکل در زیر بال پایینی تیرها استفاده می‌شود که با هدف کاهش اثرات منفی این نیروها طراحی شده‌اند. با توجه به این که اتصالات تاج سوله در ناحیه بحرانی اتصال تیر به ستون قرار ندارند، در این ناحیه به عنوان وصله عمل می‌کنند.

این امر موجب می‌شود که نیاز به طراحی دقیق اتصالات از پیش تأیید شده کاهش یابد. به همین دلیل، طراحی اتصالات تاج سوله مشابه طراحی اتصالات گوشه به صورت وصله‌ای انجام می‌گیرد. برای محاسبه نیروهای وارد بر وصله، در صورتی که از قاب خمشی متوسط استفاده شود، روابط خاصی باید در نظر گرفته شوند. این روابط برای طراحی وصله تیر در قاب خمشی معمولی در بخش‌های قبل توضیح داده شده‌اند و در طراحی قاب خمشی متوسط نیز از این روابط استفاده می‌شود.

لازم به ذکر است که تمامی فرآیندهای طراحی باید با در نظر گرفتن اصول علمی و روش‌های استاندارد مهندسی انجام گیرد تا عملکرد مناسب و ایمنی سازه تأمین گردد. بند 10-2-3-13 آیین‌نامه مبحث ۱۰ مقررات ملی ساختمان ایران به الزامات وصله تیرها در سازه‌های فولادی می‌پردازد و روش‌های مختلف انجام آن را مشخص می‌کند. وصله تیرها باید مطابق با بند 10-2-3-13 انجام شود، به‌طوری‌که وصله مستقیم تیرها با استفاده از جوش شیاری با نفوذ کامل انجام گردد، در حالی‌که وصله غیرمستقیم تیرها می‌تواند از نوع جوشی یا پیچی باشد.

همچنین مقاومت‌های موردنیاز برای وصله تیرها در سه بخش تعیین می‌شود: مقاومت خمشی، که باید براساس لنگر خمشی حاصل از تحلیل جسم آزاد در محل وصله و با رعایت الزامات بند 5-4-2-3-10 تعیین شود و نباید از مقدار M_p / α_s کمتر باشد؛ مقاومت برشی، که باید بر اساس نیروی برشی به‌دست‌آمده از نمودار پیکره آزاد در محل وصله محاسبه گردد و نباید از مقدار زیر

(0/75 ×0/6 ×F_y×A_w)⁄α_s

کمتر در نظر گرفته شود؛ و مقاومت محوری، که در صورت وجود نیروهای محوری باید براساس تحلیل سازه و ترکیبات بارگذاری متعارف محاسبه شود. این الزامات به‌طور کلی برای اطمینان از عملکرد صحیح وصله تیرها و انتقال مناسب بارها در سازه‌های فولادی ضروری است.

در طراحی اتصالات سوله‌های صنعتی، اتصال گیردار فلنجی تاج سوله یکی از اجزای حیاتی است. در ادامه، مثالی از طراحی اتصال گیردار فلنجی برای این نوع اتصالات آورده شده است. با توجه به اطلاعات موجود، مراحل حل این مسئله را به‌طور مرتب و گام‌به‌گام شرح می‌دهیم. مراحل باید شامل موارد زیر باشد:

1. تعریف و تعیین نیروهای وارد بر اتصال:

▪️محاسبه نیروهای برشی، محوری و خمشی وارد بر تیر و ستون.
▪️بررسی نحوه توزیع و انتقال این نیروها از تیر به ستون و بالعکس.

2. طراحی و کنترل پیچ‌ها:

▪️محاسبه تعداد و ابعاد پیچ‌های مورد نیاز برای اتصال تیر به ستون.
▪️بررسی مقاومت پیچ‌ها تحت برش و کشش به‌طور جداگانه و بررسی ترکیب این دو نیرو.
▪️کنترل وضعیت پیچ‌ها تحت لنگر و برش همزمان.

3. طراحی جوش‌ها:

▪️بررسی مقاومت جوش‌های اتصال ورق‌های فلنجی به جان تیر و فلنج‌های ستون.
▪️محاسبه ابعاد و تعداد جوش‌ها برای تأمین مقاومت لازم در اتصال.

4. کنترل پایداری و مقاومت جان و بال ستون:

▪️بررسی و محاسبه پایداری جان ستون تحت بارهای فشاری و کمانشی.
▪️کنترل مقاومت تسلیم موضعی در بخش‌های مختلف اتصال.

5. طراحی و کنترل ورق‌های سخت‌کننده و پیوستگی:

▪️بررسی نیاز به ورق‌های سخت‌کننده در نواحی بحرانی اتصال.
▪️محاسبه و طراحی ورق‌های پیوستگی برای تقویت اتصال.

6. نتیجه‌گیری نهایی و کنترل شرایط طراحی:

▪️بررسی صحت کلی طراحی اتصال بر اساس استانداردها و ضوابط فنی موجود.
▪️ارزیابی کفایت اتصال طراحی‌شده از نظر مقاومت و پایداری در برابر نیروهای مختلف

جدول 2. مشخصات اتصال گیردار فلنجی تاج سوله (قاب خمشی معمولی)

محاسبه نیروهای طراحی اتصال (طبق بند 10-3-5-4)

محل تار خنثی

ممان اینرسی مقطع موثر

کنترل کفایت پیچ بحرانی تحت لنگر خالص

کنترل کفایت پیچ‌ها تحت برش خالص

کنترل کفایت پیچ‌ها تحت برش و لنگر همزمان (بند 10-2-9-3-4)

مقاومت کششی طراحی

مقاومت برشی طراحی

نیروی ضریبدار بال تیر (بر اساس تئوری خطوط تاثیر) طبق بند 10-2-9-4

کنترل تسلیم برشی ورق فلنجی

کنترل گسیختگی برشی ورق فلنجی

کنترل گسیختگی برشی پیچ‌ها (طبق بند 10-2-9-3-3)

کنترل مقاومت اتکایی ورق در جداره سوراخ‌های فلنج(طبق بند 10-2-9-3-7 )

ضوابط سخت‌کننده طبق بند 10-3-13-3-7

طراحی جوش ورق سخت‌کننده

طراحی جوش دوطرفه ورق جان تیر به فلنجی

7. اتصالات ستون به فونداسیون

به دلیل دهانه بلند سوله‌ها و به منظور بهینه‌سازی مصرف بتن، استفاده از فونداسیون‌های منفرد برای ستون‌ها به عنوان یک روش رایج در طراحی سوله‌ها مطرح می‌شود. این فونداسیون‌ها به یکدیگر متصل می‌شوند، که معمولاً از طریق کلاف‌های افقی انجام می‌گیرد. این کلاف‌ها به دلیل ویژگی‌های هندسی و مصالح به کار رفته، معمولاً مقاومت خمشی بالایی ندارند. تحلیل‌های سازه‌ای نشان می‌دهند که در عمل، امکان ایجاد اتصال گیردار در سوله‌ها به دلیل محدودیت‌های فیزیکی و طراحی وجود ندارد.

این موضوع به ویژه به علت بارهای خمشی وارد شده به فونداسیون‌های منفرد است که به دلیل عدم وجود اینرسی کافی در مقطع فونداسیون، موجب چرخش و دوران قابل توجه آن‌ها می‌شود. در نتیجه، فونداسیون‌های منفرد به طور عملی عملکرد مفصلی دارند. از این رو، در طراحی سیستم اتصال پای ستون‌های سوله، معمولاً فرض بر این است که اتصال مفصلی است.

با این حال، در مواردی که دهانه سوله کوچک‌تر باشد و امکان کنترل دوران فونداسیون وجود داشته باشد، به عنوان مثال با استفاده از فونداسیون‌های گسترده یا نواری با تراکم مناسب، می‌توان فرض گرفت که اتصال گیردار نیز در طراحی قابل اعمال است. در این شرایط، قابلیت استفاده از اتصال گیردار تحت تأثیر محدودیت‌های هندسی و مقاومت فونداسیون‌ها قابل ارزیابی دقیق‌تر است.

1.7. بارهای وارد بر صفحه ستون

نیروهای محوری و برشی که صفحه ستون در شرایط مفصلی باید برای آن طراحی گردد، باید بر اساس الزامات مشخص شده در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و به‌ویژه با توجه به الزامات لرزه‌ای تعیین شوند. این نیروها نقش مهمی در ایمنی و عملکرد سازه در برابر نیروهای لرزه‌ای دارند و محاسبه دقیق آن‌ها برای طراحی صحیح و بهینه ستون‌ها ضروری است.

در ادامه، روش محاسبه حداقل مقادیر نیروهای محوری و برشی طبق بند 10-3-2-14 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان برای طراحی لرزه‌ای کف ستون‌ها به تفصیل بیان می‌شود. این محاسبات به‌منظور اطمینان از پاسخ مناسب سازه در برابر بارهای لرزه‌ای و جلوگیری از شکست‌های احتمالی در زمان وقوع زلزله انجام می‌گیرد. بند آیین‌نامه‌ای مبحث 10 مقررات ملی ساختمان ایران در خصوص الزامات لرزه‌ای کف‌ستون‌ها به تعیین مقاومت‌های موردنیاز برای این اجزا در ساختمان‌های باربر و غیر باربر لرزه‌ای پرداخته است.

طبق این بند، کف‌ستون‌ها باید علاوه بر رعایت ضوابط عمومی آیین‌نامه، مقاومت‌های خاصی را همزمان تأمین کنند. برای کف‌ستون‌های اعضای باربر لرزه‌ای، مقاومت محوری موردنیاز باید حداقل برابر با بزرگترین مقدار از عکس‌العمل قائم در محل کف‌ستون ناشی از ترکیب بارگذاری‌ها (شامل زلزله تشدید یافته) یا عکس‌العمل قائم بر اساس ظرفیت تحلیل سیستم باربر لرزه‌ای باشد.

همچنین، مقاومت برشی کف‌ستون‌ها باید بر اساس مجموع مقاومت‌های موردنیاز برای مولفه‌های افقی اعضای فولادی متصل به ورق کف‌ستون محاسبه شود، به‌طوری‌که این مقدار نباید از (α_sH)/(F_yZ) ستون کمتر باشد. برای مهاربندها، این مقدار بر اساس مقاومت افقی موردنیاز اتصال عضو مهاربندی و برای ستون‌ها بر اساس نیروی برشی محاسبه‌شده از ترکیب بارگذاری‌های زلزله تشدید یافته تعیین می‌شود. در صورتی که اتصال ستون به کف‌ستون مفصلی باشد، برش افقی متناظر با مهاربندها باید برابر با مولفه افقی مقاومت محوری اتصال عضو مهاربندی و برای ستون‌ها برابر با مقدار محاسبه‌شده از تحلیل سازه تحت اثر زلزله باشد، ولی این مقدار نباید از(α_sH)/(F_yZ) ستون کمتر باشد. این الزامات به منظور تضمین عملکرد صحیح و ایمنی سازه در برابر نیروهای لرزه‌ای به‌ویژه در شرایط زلزله طراحی شده است.

2.7. طراحی ورق صفحه ستون

در طراحی اتصالات مفصلی ستون‌های فلزی، دو روش اصلی برای ایجاد اتصال مفصلی پای ستون وجود دارد: 1- اتصال مفصلی ستون به ورق کف‌ستون و 2- اتصال مفصلی ورق کف‌ستون به پی. هر یک از این روش‌های نحوه اتصال ستون فلزی به فونداسیون با توجه به ویژگی‌های خاص خود، نحوه انتقال نیروها و رفتار سازه‌ای متفاوتی دارند.

در روش اول، یکی از گزینه‌های رایج استفاده از میل‌مهارها در پیرامون بیس‌پلیت است. در این حالت، اتصال ستون به بیس‌پلیت به گونه‌ای طراحی می‌شود که رفتار مفصلی از خود نشان دهد. این نوع اتصال از طریق نبشی‌هایی که به پنجه‌های ستون و بیس‌پلیت جوش شده‌اند، به طور غیرمستقیم برقرار می‌شود. در این ساختار، نیروهای وارد بر ستون از طریق نبشی‌ها به بیس‌پلیت منتقل شده و اتصال مفصلی بین ستون و بیس‌پلیت حفظ می‌شود. این نوع طراحی اتصالات مفصلی در سازه‌های فلزی رایج است، زیرا امکان حرکت نسبی و جذب تغییرات حرارتی و بارهای دینامیکی را فراهم می‌آورد. در ادامه، چند نمونه از این نوع اتصالات به طور دقیق‌تر نمایش داده شده است.

شکل 9. اتصال مفصلی ستون به بیس پلیت

در حالت دوم، اتصال ستون به بیس‌پلیت به صورت گیردار در نظر گرفته شده است. این در حالی است که نحوه اتصال صفحه‌ستون به پداستال یا فونداسیون به گونه‌ای طراحی می‌شود که هیچ‌گونه ممان (گشتاور) را انتقال ندهد. به‌منظور تحقق این شرایط، ضروری است که میل‌مهارها تا حد ممکن در نزدیکی جان ستون و در نزدیکی تار خنثی قرار گیرند. این امر موجب می‌شود که انتقال خمش در هر دو جهت به میزان قابل توجهی کاهش یابد و به صفر نزدیک گردد. این طراحی به منظور کاهش اثرات خمش و افزایش کارایی سیستم سازه‌ای در برابر بارهای مختلف صورت می‌گیرد.

شکل 10. اتصال مفصلی صفحه ستون به فونداسیون

در اتصال مفصلی بیس‌پلیت، استفاده از سخت‌کننده‌ها برای کاهش ضخامت ورق توصیه نمی‌شود. این امر به این دلیل است که اصولاً عملکرد سخت‌کننده‌ها به صورت خمشی طراحی شده است و اتصال آن‌ها به ستون می‌تواند منجر به ایجاد گیرداری در پای ستون شود. گیرداری در این بخش می‌تواند موجب تغییرات غیرمطلوب در رفتار سازه‌ای و کاهش کارایی سیستم اتصال شود. علاوه بر این، ضخامت‌های زیاد ورق‌ها در بسیاری از کارخانه‌ها تولید نمی‌شوند و تأمین این ضخامت‌ها نیازمند سفارش‌های خاص است که منجر به افزایش هزینه‌های تولید و زمان تأمین می‌شود. به همین دلیل، یکی از راهکارهای بهینه برای تأمین ضخامت‌های مورد نیاز، استفاده از روش اتصال دور ورق بیس‌پلیت به صورت لایه‌لایه و هم‌پوشانی است. در ادامه، نحوه اجرای این نوع اتصال و تأثیرات آن بر عملکرد سازه بررسی خواهد شد.

شکل 11. اتصال دو ورق بیس پلیت روی یکدیگر

8. مهاربندهای سقفی و طولی در سوله

مهاربندها ابزارهایی هستند که به منظور افزایش پایداری و تأمین صلبیت قاب‌های سازه‌ای سوله‌ها به‌کار می‌روند. این اعضای مقاومتی معمولاً به دو شکل مختلف اجرا می‌شوند: مهاربندهای طولی و مهاربند سقفی سوله. مهاربندهای طولی به‌طور عمده بین ستون‌ها نصب می‌شوند و وظیفه تأمین ثبات و مقاومت در برابر نیروهای جانبی در امتداد محور طولی سوله را دارند. از سوی دیگر، مهاربندهای سقفی در فضاهای بین رفترهای دو قاب متوالی قرار می‌گیرند و نقش اساسی در استحکام سقف و مقابله با بارهای وارده در جهت افقی ایفا می‌کنند. این نوع از مهاربندها به‌ویژه در برابر نیروهای برشی و پیچشی که می‌توانند به سازه آسیب برسانند، نقش مؤثری در حفظ سلامت کلی سازه دارند.

شکل 12. مهاربندهای طولی و سقفی در سوله‌ها

مهم‌ترین اهداف استفاده از مهاربندها عبارتند از:

1.8. مهاربندی‌های سقفی در سوله

مهاربندهای سقفی به‌طور عمده به‌صورت کششی طراحی می‌شوند و به منظور تأمین انسجام و استحکام کافی در سازه‌های سقفی، معمولاً در پیرامون سقف سوله و در کنار قاب‌های مهاربندی شده قرار می‌گیرند. این مهاربندها نقش حیاتی در انتقال نیروهای بارگذاری شده و کاهش تغییرات شکل‌پذیری در سازه ایفا می‌کنند. در فرآیند طراحی این سیستم‌ها، از مصالح مختلفی نظیر میلگردها، مقاطع جعبه‌ای نورد شده و یا لوله‌های فولادی به‌عنوان اجزاء اصلی استفاده می‌شود. انتخاب این مواد به‌منظور برآورده کردن نیازهای ساختاری و مقاومتی انجام می‌شود. همچنین، طراحی اتصالات مهاربندها باید با دقت ویژه‌ای انجام شود به‌گونه‌ای که بتوانند نیروهای محوری وارده را به‌طور مؤثر و ایمن انتقال دهند.

این اتصالات باید توانایی تحمل بارهای ناشی از نیروهای کششی و فشاری را در شرایط مختلف بارگذاری دارا باشند. در سازه‌های سوله‌ای، بر اثر بار باد، تمامی قاب‌ها و ستون‌ها به‌طور یکنواخت جابجا می‌شوند. این جابجایی یکنواخت به دلیل تأثیر بار باد بر روی اعضای مختلف سازه است که موجب ایجاد تغییر شکل‌های خاصی در بخش‌های مختلف سوله می‌شود.

در سازه‌های جرثقیل دارِ بدون مهاربند سقف، بارهای جانبی ناشی از حرکت جرثقیل، به طور مستقیم به یک ستون انتقال می‌یابد. این انتقال بار موجب ایجاد تغییرات در موقعیت و جابجایی آن ستون در قاب سازه می‌شود. در نتیجه، تغییر مکان ستون در پاسخ به بارهای جانبی ایجاد شده توسط جرثقیل، می‌تواند منجر به تغییرات قابل توجه در رفتار و عملکرد کلی سازه گردد. این پدیده در تحلیل و طراحی سازه‌های مشابه از اهمیت بالایی برخوردار است و باید در محاسبات سازه‌ای به طور دقیق مورد توجه قرار گیرد.

در اجرای سوله، به دلیل اهمیت بالای سختی مهاربندی سقف در انتقال بار به قاب‌های مجاور و تأثیر آن بر پایداری سازه، توصیه می‌شود که برای اعضای مهاربندی از مقاطع با ظرفیت مقاومتی بالاتر استفاده گردد. در این راستا، استفاده از نبشی یا مقطع T به‌جای میلگرد می‌تواند به بهبود عملکرد سیستم مهاربندی کمک کند. این مقاطع قادرند مقاومت بیشتری در برابر نیروهای ناشی از بارگذاری‌های سقف فراهم کرده و موجب انتقال مؤثرتر بار به قاب‌های مجاور شوند. همچنین، این تغییر در انتخاب مصالح می‌تواند موجب افزایش سختی سازه و کاهش تغییرات ناشی از بارهای وارده گردد.

2.8. مهاربندهای طولی در سوله

برای افزایش مقاومت سازه در برابر نیروهای فشاری و کششی ناشی از زلزله، باد و تغییرات درجه حرارت، ضروری است که از مهاربندهای طولی به‌طور مؤثر در ساختار سوله‌ها استفاده شود. این مهاربندها به‌ویژه در راستای تحمل بارهای وارده از نیروهای خارجی نقش حیاتی ایفا می‌کنند. علاوه بر این، اتصالات مهاربندها باید به‌گونه‌ای طراحی شوند که قابلیت عملکرد مفصلی داشته باشند تا سازه در مواجهه با تغییرات بار و شرایط مختلف، انعطاف‌پذیری و پایداری لازم را حفظ نماید. از این رو، مهاربندهای مفصلی به‌عنوان یک گزینه مطلوب برای افزایش ظرفیت باربری سازه به شمار می‌آیند.

لازم به ذکر است که در بسیاری از سوله‌های سبک، معمولاً تنها مهاربندهای کششی مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا این نوع مهاربندها قابلیت تحمل بارهای کششی را به‌طور مؤثر فراهم کرده و نیاز به اتصالات پیچیده را کاهش می‌دهند. این انتخاب در طراحی سازه‌های سبک به‌ویژه در شرایطی که محدودیت‌های وزنی و فضایی مطرح باشد، کارآمد است.

شکل 13. مهاربند طولی

در بادبندهای لاغر و بادبندهایی که دارای مقطع میلگرد هستند و مقاومت فشاری آن‌ها به‌طور قابل توجهی از مقاومت محوری کششی کمتر است، اعضای مهاربندی در صورتی که پیش‌تنیدگی اولیه در آن‌ها تأمین نگردد، به‌دلیل وزن خود دچار افتادگی و لقی می‌شوند. این پدیده باعث ایجاد رفتار غیر‌مطلوب در اعضای مهاربندی شده و موجب می‌شود که مهاربند نتواند به‌طور مؤثر در برابر بارهای جانبی عمل کند. در این شرایط، اعضای مهاربندی تحت تأثیر بارهای جانبی به دلیل کاهش استحکام و پایداری، احتمالاً دچار نوسانات و کاهش کارآیی می‌شوند.

در صورتی که پیش‌تنیدگی اولیه برای این اعضا تأمین نشود، لاغری آن‌ها باید محدود به مقدار 300 گردد، به‌طوری‌که نسبت طول به شعاع مقطع (KL⁄r) کمتر از 300 باشد (KL⁄r<300). این محدودیت در راستای حفظ پایداری و جلوگیری از خرابی‌های ناشی از بارهای جانبی اعمال می‌شود. علاوه بر این، برای تأمین پیش‌تنیدگی اولیه در این اعضا، استفاده از بست‌های قورباغه‌ای به‌عنوان یک روش مؤثر در ارتقای عملکرد این اعضا و کاهش احتمال افتادگی و لقی در نظر گرفته می‌شود. این بست‌ها با ایجاد نیروهای پیش‌تنیده در اعضا، موجب افزایش پایداری و عملکرد بهینه در برابر بارهای خارجی می‌شوند.

شکل 14. بست قورباغه‌ای سوله

مقاطع رایج برای اجرای مهاربندهای طولی در سوله به صورت زیر هستند:

شکل 15. انواع مهاربندهای طولی در سوله

برای به دست آوردن نیروهای طراحی اتصال مهاربندهای طولی و سقفی از بند 10-3-4-1-6 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان استفاده می‌کنیم. در مبحث 10 مقررات ملی ساختمان ایران، بندهای مربوط به نیروهای طراحی اتصال مهاربندهای طولی و سقفی در اتصالات پیچی سوله‌ها تأکید بر محاسبه دقیق نیروهایی دارند که از اعضای مهاربند به اتصالات منتقل می‌شوند، شامل نیروهای کششی، فشاری، پیچشی و برشی. این اتصالات باید توانایی تحمل بارهای جانبی، مانند باد و زلزله، را داشته باشند.

در اتصالات پیچی، عواملی چون تعداد پیچ‌ها، نوع آن‌ها (شامل پیچ‌های شش‌گوش یا سرمته‌ای)، قطر و فاصله پیچ‌ها از لبه‌ها، طول پیچ‌ها و نوع ورق‌ها باید به‌دقت محاسبه شوند. مهاربندهای طولی برای انتقال نیروهای جانبی در جهت طولی و مهاربندهای سقفی برای مقابله با نیروهای سقف طراحی می‌شوند. طراحی اتصالات باید پایداری، مقاومت در برابر خستگی، و محدودیت‌های ابعادی و هندسی را مدنظر قرار دهد تا اتصال قادر به انتقال بارهای جانبی به‌درستی باشد.

همچنین، بارگذاری‌های جانبی مانند باد و زلزله تأثیرات زیادی بر طراحی دارند و اتصالات باید به‌گونه‌ای طراحی شوند که این بارها را انتقال داده و از آسیب به سایر بخش‌های سازه جلوگیری کنند.

برای طراحی بٌعد و طول جوش اتصالات، از ضوابط موجود در بند 10-2-9-2 مبحث دهم استفاده می‌شود.

9. طراحی اتصالات وال پست

دیوارهای خارجی سوله‌ها معمولاً از مصالح بنایی نظیر آجر و ملات یا مصالح پیش‌ساخته سبک مانند ساندویچ پانل ساخته می‌شوند که برای پوشش‌دهی سطوح بیرونی سوله‌ها به کار می‌روند. با این حال، مقاومت خمشی خارج از صفحه این نوع دیوارها به طور معمول بسیار محدود و کم در نظر گرفته می‌شود. در نتیجه، برای آنکه این دیوارها قادر به تحمل و انتقال بارهای خارج از صفحه وارده، شامل بار باد خارجی به صورت فشاری و بار باد داخلی به صورت مکش، به المان‌های سازه‌ای سوله مانند فونداسیون و رفترها باشند، ضروری است که از المان‌های باربر خمشی در فواصل معین و مشخص استفاده گردد.

این المان‌ها به طور ویژه به عنوان “والپست” شناخته می‌شوند. با توجه به نقش خاص والپست‌ها، ضروری است که در طراحی آن‌ها، این المان‌ها عمدتاً برای انتقال بارهای خمشی خارج از صفحه به کار روند و از اختصاص بخشی از ظرفیت باربری آن‌ها برای تحمل بارهای ثقلی خودداری شود. به این منظور، اتصال والپست به رفتر بالای آن باید به صورت اتصال لوبیایی طراحی شود تا از انتقال بارهای قائم از رفتر به والپست جلوگیری به عمل آید.

این طراحی باعث می‌شود که والپست در مقابل حرکت آزادانه رفتر تحت بارهای اعمالی، مزاحمت ایجاد نکرده و از ایجاد اختلال در عملکرد واقعی رفتر جلوگیری کند. در نتیجه، این روش طراحی موجب تطابق عملکرد سازه در عمل با مدل نرم‌افزاری و محاسبات طراحی می‌شود، به‌گونه‌ای که تمامی رفتارها و بارهای وارده به درستی پیش‌بینی و تحلیل گردیده‌اند.

شکل 16. اتصال وال پست به رفتر

1.9. تعیین نیروی طراحی

با توجه به توضیحات ارائه‌شده، والپست‌ها باید تحت تأثیر بار باد و همچنین وزن دیوارهای متصل به آن تحلیل و طراحی شوند، به‌طوری‌که بارهای اعمال‌شده بر روی رفتر در این تحلیل لحاظ نشوند. در این راستا، تحلیل بارهای مختلف مطابق با ترکیب‌های بار در طراحی به روش LRFD (روش بار نهایی-ضریب مقاومت) مطابق با مبحث ششم مقررات ملی ساختمان صورت می‌گیرد. همچنین با در نظر گرفتن نادیده گرفتن بارهای ناشی از رفترها از طریق ایجاد اتصال لوبیایی، ترکیب بار بحرانی به‌منظور تعیین نیروهای داخلی ناشی از بارهای وارد بر والپست به‌طور دقیق به‌صورت زیر محاسبه می‌شود.

بنابراین نیروهای موثر در تحلیل وال‌پست‌ها شامل بار باد (W) و بار مرده (D) دیواره متصل به آن خواهد بود.

2.9. تعیین تعداد پیچ‌ها

تعداد پیچ‌ها باید بر اساس حداکثر نیروی برشی که ترکیب بار بحرانی در محل اتصال وال‌پست به رفتر ایجاد می‌کند، محاسبه و تعیین گردد. به منظور انجام این محاسبات، ابتدا باید مقدار نیروی برشی اعمال‌شده به محل اتصال را محاسبه کرده و سپس با استفاده از روابط ارائه‌شده در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، که به تحلیل و محاسبه مقاومت پیچ‌ها در برابر برش پرداخته است، اقدام به تعیین تعداد و قطر پیچ‌های مورد نیاز نماییم. این فرآیند به‌منظور تأمین استحکام و ایمنی اتصالات ساختمانی ضروری است و باید با دقت انجام شود تا از وقوع مشکلات اساسی جلوگیری گردد.

3.9. تعیین فاصله بادخور و طول سوراخ لوبیایی

در این مرحله، به منظور فراهم آوردن آزادی عمل مورد اشاره در مراحل قبلی در رفتر، لازم است تا فاصله انتهای وال‌پست از زیر رفتر و طول مورد نیاز سوراخ لوبیایی با توجه به تغییرشکل‌های رفتر به‌طور دقیق محاسبه و تعیین گردد. طول سوراخ لوبیایی باید به‌گونه‌ای انتخاب شود که از حداکثر میزان تغییر شکل رفتر در محل اتصال آن به وال‌پست بیشتر باشد. این اقدام ضروری است تا از ایجاد هرگونه مقاومتی در برابر تغییر شکل قائم رفتر در این ناحیه جلوگیری گردد و رفتر بتواند به‌طور آزادانه تغییر شکل یابد بدون اینکه تنش‌های اضافی به ساختار وارد شود.

4.9. طراحی ورق اتصال

ورق اتصال رفتر به وال پست باید به‌طور دقیق و بر اساس تحلیل‌های مهندسی طراحی شود تا بتواند نیروی برشی اعمالی به اتصال پیچی وال‌پست را به‌طور مؤثر به رفتر منتقل کند. این انتقال نیرو باید به‌گونه‌ای صورت گیرد که علاوه بر تأمین ایمنی، عملکرد مطلوب سازه‌ای را نیز تضمین نماید. در طراحی این ورق، لازم است که به‌طور خاص جهت و مقدار نیروی برشی وارد بر اتصال مورد نظر در نظر گرفته شود. با توجه به قوانین و ضوابط مبحث دهم مقررات ملی ساختمان که به طراحی ورق‌ها تحت نیروهای برشی پرداخته است، پارامترهایی مانند طول و ضخامت ورق باید به دقت محاسبه شوند. این محاسبات به‌طور مستقیم تحت تأثیر مقادیر نیروی برشی و همچنین مشخصات مکانیکی و هندسی مصالح به‌کار رفته در ساختار اتصال قرار دارد. بنابراین، تحلیل‌های دقیق و استفاده از روابط استاندارد در طراحی ورق‌های اتصال، برای تضمین استحکام و ایمنی سازه ضروری است.

جوش ورق اتصال به رفتر باید به‌گونه‌ای طراحی و اجرا شود که قادر به تحمل و انتقال بارهای برشی وارد بر ورق اتصال باشد. با توجه به این که اجرای جوش گوشه در مقایسه با سایر انواع جوش‌ها، از نظر سادگی و کیفیت اجرای بالاتری برخوردار است، استفاده از این نوع جوش به‌عنوان گزینه بهینه در این اتصال توصیه می‌شود. به‌منظور تعیین طول و ابعاد جوش گوشه، باید از روابط و دستورالعمل‌های ارائه شده در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، که به طراحی جوش گوشه اختصاص دارد، بهره‌برداری شود. این روابط به‌طور دقیق مشخص می‌سازند که ابعاد جوش باید متناسب با نیروهای وارده و الزامات طراحی سازه‌ای باشد تا عملکرد بهینه و ایمنی اتصال تضمین گردد.

بندهای آیین‌نامه‌ای مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ایران در خصوص مقاومت جوش‌ها به‌منظور تضمین استحکام و ایمنی اتصالات جوشی در سازه‌ها تدوین شده‌اند. این بندها شامل مشخصات فنی برای تعیین مقاومت جوش‌ها در برابر بارهای مختلف مانند کششی، فشاری، برشی و خمشی هستند و باید بر اساس شرایط بارگذاری در سازه محاسبه شوند.

انتخاب نوع جوش (جوش گوشه، جوش تیر به ستون، جوش لبه‌ای و غیره) و ابعاد آن باید متناسب با نوع بار و شرایط اجرایی اتصال صورت گیرد. همچنین، مقاومت تسلیم و مقاومت کششی جوش‌ها نیز باید به‌طور دقیق مشخص شود تا ظرفیت باربری جوش در برابر انواع نیروها تعیین گردد. در نهایت، شرایط اجرایی جوش، از جمله نوع الکترود، دما و روش‌های جوشکاری، باید مطابق با استانداردهای مورد نیاز برای اطمینان از کیفیت و مقاومت جوش‌ها در نظر گرفته شوند تا جوش‌ها بتوانند به‌طور مؤثر و ایمن نیروهای وارده را تحمل کنند.

10. اتصالات استرات‌ها

استرات‌ها به عنوان اعضای سازه‌ای با عملکرد ویژه، در اتصال قاب‌ها و همچنین کاهش طول مهار نشده ستون‌ها و رفترها به کار می‌روند. این اعضا به‌طور عمده از ویژگی‌های مکانیکی خاصی برخوردارند که امکان ایجاد اتصال مؤثر و پایدار را فراهم می‌آورد. عملکرد استرات‌ها به‌صورت محوری بوده، به این معنا که بارها به‌صورت کششی یا فشاری بر روی آن‌ها اعمال می‌شود. اتصال استرات‌ها به المان‌های قاب نیز به‌طور مفصلی صورت می‌گیرد تا از انتقال لنگرهای بزرگ به سایر اجزای سازه جلوگیری شده و در عین حال، امکان تغییرات نسبی در زاویه و جابه‌جایی‌ها به‌صورت مطلوب فراهم گردد. این ویژگی‌ها باعث افزایش کارایی سازه و بهینه‌سازی عملکرد آن در برابر بارهای مختلف می‌شود.

1.10. تعیین نیروی طراحی اتصال

با توجه به توضیحات ارائه شده، به منظور تعیین نیروی محوری حداکثر در استرات‌ها، لازم است که تأثیر ترکیب‌بارهای مختلف سازه در نظر گرفته شود. در این راستا، برای دهانه‌های بادبند سوله که استرات جزئی از المان‌های این دهانه به شمار می‌رود، علاوه بر بارهای دیگر، باید ترکیب‌بارهای لرزه‌ای نیز با دقت مورد بررسی و کنترل قرار گیرد. این امر به ویژه در ارتباط با نوع مهاربندهای استفاده‌شده در سازه ضروری است. در محاسبه نیروی محوری حداکثر، لازم است که مقادیر حداکثر نیروی کششی و حداکثر نیروی فشاری، که ممکن است از ترکیب‌بارهای مختلف ناشی شوند، تعیین گردند. پس از این مرحله، طراحی اتصالات برای هر یک از این نیروها باید انجام گیرد تا سازه قادر به تحمل بارهای اعمالی در شرایط مختلف باشد و ایمنی کلی آن تضمین شود.

2.10. تعیین تعداد پیچ مورد نیاز

با توجه به اینکه در اتصال استرات‌ها از ورق‌های انتهایی به صورت فلنجی استفاده می‌شود، عملاً نیروی محوری فشاری به صورت اتکایی توسط دو ورق انتهایی تحمل و انتقال می‌یابد. این پدیده موجب می‌شود که نیروی محوری از طریق این ورق‌ها توزیع گردد و نقش اساسی در بارگذاری سازه ایفا کند. لذا برای تعیین مشخصات اتصال، نظیر تعداد و قطر پیچ‌های اتصال، لازم است که این پیچ‌ها به‌طور ویژه تحت بار کششی ناشی از نیروی وارد بر استرات طراحی شوند. به منظور انجام این طراحی، از روابط تخصصی موجود در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان که به طراحی پیچ‌ها تحت کشش پرداخته است، استفاده می‌شود. این روابط به مهندسان کمک می‌کند تا طراحی دقیقی برای پیچ‌ها و اتصالات انجام دهند که قادر به تحمل بارهای کششی و سایر نیروهای اعمالی باشند.

3.10. ضخامت ورق انتهائی

نیروی کششی اعمال شده به اتصال، که توسط پیچ‌ها تحمل می‌شود، منجر به تولید یک لنگر خمشی در ورق انتهایی می‌گردد. این لنگر خمشی باید برای مقابله با نیروهای اعمالی طراحی و تحلیل شود. تعیین مکان دقیق مقطع بحرانی و محاسبه میزان لنگر خمشی ایجاد شده در ورق از جمله گام‌های اساسی در تحلیل رفتاری این نوع اتصالات می‌باشد. به عبارت دیگر، برای طراحی بهینه و اطمینان از عملکرد صحیح اتصال تحت بارگذاری کششی، باید اثرات لنگر خمشی ناشی از این نیرو را در نظر گرفت. محل و میزان لنگر خمشی به صورت زیر محاسبه می‌شود:

ضخامت ورق براساس روابط مبحث دهم مقررات ملی ساختمان بخش طراحی خمشی اعضا تعیین می‌شود.

4.10. طراحی جوش استرات به جان ستون

به دلیل آنکه معمولاً ضخامت مورد نیاز المان‌های استرات کمتر از 10 میلی‌متر است، استفاده از جوش نفوذی برای اتصال این المان‌ها به ورق جان ستون به لحاظ فنی با محدودیت‌هایی روبه‌رو می‌شود و در بسیاری از موارد غیرممکن است. به همین دلیل، برای اتصال استرات به ستون‌ها، از جوش گوشه بهره‌برداری می‌شود. در این راستا، به منظور جلوگیری از ایجاد نیروهای ثانویه و توزیع غیر یکنواخت تنش‌ها، ضروری است که جوش به طور کامل و یکنواخت در تمامی محیط استرات به ستون اعمال گردد. در تعیین ابعاد جوش، از روابط موجود در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، که به طور خاص به طراحی جوش گوشه اختصاص دارد، استفاده می‌شود. این روابط به گونه‌ای تدوین شده‌اند که الزامات فنی و ایمنی لازم برای اتصالات جوشی استرات‌ها و ستون‌ها را تضمین کنند.

5.10. سخت‌کننده جان ستون

با توجه به اینکه جان ستون باید نیروی محوری فشاری و کششی ناشی از استرات‌ها را تحمل کند و با در نظر گرفتن ضخامت نسبتاً کم جان ستون، استفاده از ورق‌های سخت‌کننده در ناحیه اتصال به استرات‌ها به منظور تقویت و افزایش مقاومت جان ستون در برابر این بارها امری ضروری است. این ورق‌ها باعث افزایش ظرفیت باربری جان ستون شده و از تغییر شکل‌های ناخواسته و آسیب‌دیدگی در ناحیه اتصال جلوگیری می‌کنند. بدین ترتیب، استفاده از سخت‌کننده‌ها به‌طور قابل‌توجهی پایداری سازه را بهبود می‌بخشد و عملکرد ایمن‌تری در برابر نیروهای وارده فراهم می‌آورد.

11. جرثقیل و اتصالات آن

در سازه‌های صنعتی، برای تسهیل جابجایی تجهیزات، وسایل یا مصالح، استفاده از جرثقیل‌ها امری ضروری است. این جرثقیل‌ها باید به گونه‌ای طراحی شوند که قابلیت پوشش‌دهی تمام نقاط زیرساخت سوله را داشته و امکان جابجایی مؤثر و بدون مانع مصالح و تجهیزات از هر نقطه به نقطه دیگر را فراهم آورند. یکی از روش‌های رایج در طراحی جرثقیل‌های صنعتی، بهره‌گیری از ستون‌های سوله به عنوان پایه‌های نگهدارنده است. این طراحی به گونه‌ای است که ستون‌ها علاوه بر وظیفه ساختاری خود، نقش پایه‌های حمایت‌کننده جرثقیل را نیز ایفا می‌کنند.

علاوه بر این، برای تأمین جابجایی‌های عرضی جرثقیل، استفاده از یک شاه‌تیر ضروری است که در هر انتهای آن، یک ستون از سوله به عنوان تکیه‌گاه قرار می‌گیرد.

در این سیستم‌ها، جرثقیل‌ها به دو دسته اصلی تقسیم‌بندی می‌شوند، که بر اساس نحوه قرارگیری ارابه روی شاه‌تیر مشخص می‌گردند:

1- جرثقیل پل‌دار بالانشین با ارابه آویخته

2- جرثقیل پل‌دار بالانشین با ارابه بالانشین.

این تقسیم‌بندی‌ها بر اساس مکانیزم‌های مختلف حرکتی و نحوه تعامل اجزای سیستم با یکدیگر طراحی می‌شوند تا عملکرد بهینه‌ای در جابجایی مصالح در محیط‌های صنعتی فراهم آید.

شکل 18. جرثقیل با ارابه آویخته

شکل 19. جرثقیل دارای ارابه آویخته

شکل 20. جرثقیل با ارابه بالانشین

شکل 21. جرثقیل دارای ارابه بالانشین

‌
همان‌طور که در شکل‌های پیشین نشان داده شده است، بر روی تیر حمال یک ریل نصب شده است تا پل نگهدارنده ارابه بتواند بر روی آن ریل حرکت نماید. در فرآیند اتصال این ریل به تیر حمال، توصیه می‌شود که از جوشکاری مستقیم ریل به تیر اجتناب شود. دلیل این امر به‌ویژه به کیفیت شیمیایی فولاد ریل بازمی‌گردد که ممکن است موجب بروز مشکلاتی در جوشکاری و کاهش کیفیت اتصال گردد.

علاوه بر این، در روش جوشکاری مستقیم، هیچ‌گونه تمهیدات لازم برای جابجایی‌های طولی یا تنظیمات جانبی ریل‌ها جهت تطابق با تغییرات دمایی و یا تغییر شکل‌های جانبی ناشی از بارهای وارد بر بال تیر حمال وجود ندارد. برای رفع معایب این روش و جلوگیری از مشکلات مرتبط با جوشکاری مستقیم، می‌توان از انواع مختلف اتصالات مکانیکی بهره گرفت.

این اتصالات به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که قادرند جابجایی‌های نسبی میان تیر و ریل را در پاسخ به تغییرات دمایی و یا بارهای وارده بر تیر حمال، به‌ویژه فشارهای ناشی از بارگذاری‌های عملیاتی، جبران کنند. این گونه اتصالات امکان تنظیم حرکت طولی و جانبی ریل‌ها را فراهم می‌آورند و از ایجاد تنش‌های غیرمجاز و آسیب‌های ناشی از تغییرات دما یا بارگذاری‌های نامتناسب جلوگیری می‌کنند.

شکل 22. چهار روش اتصال ریل به تیر زیر آن

در یکی دیگر از انواع جرثقیل‌ها، از رفترها به‌عنوان پایه‌های نگهدارنده پل جرثقیل و ارابه آن استفاده می‌شود. این نوع جرثقیل که به آن “جرثقیل پل‌دار آویخته” گفته می‌شود، طراحی خاصی دارد که در آن پل اصلی جرثقیل به‌طور معلق بر روی رفترها قرار می‌گیرد و این رفترها نقش حیاتی در انتقال بار و استقرار صحیح سیستم‌های حرکتی دارند. در این مدل، پل جرثقیل به‌طور آویخته از ساختار رفترها آویزان است و ارابه جرثقیل نیز در طول این پل حرکت می‌کند. این نوع طراحی به‌ویژه برای کاربردهایی که نیاز به بهره‌برداری از فضاهای محدود دارند، بسیار مناسب است. در ادامه، شکل کلی این نوع جرثقیل برای درک بهتر ساختار و نحوه عملکرد آن ارائه شده است.

شکل 23. جرثقیل آویخته

اتصال این نوع جرثقیل به رفترها می‌تواند به دو صورت صلب و انعطاف‌پذیر انجام شود. اتصال انعطاف‌پذیر به دلیل ویژگی‌های خاص خود مزایای قابل توجهی را ارائه می‌دهد. یکی از مهم‌ترین مزایای این نوع اتصال، کاهش بار مؤثر وارد بر جرثقیل است که منجر به کاهش فرسودگی سیستم می‌شود. این امر همچنین احتمال بروز خستگی در اعضای باربر را که معمولاً ناشی از بارهای تکانه‌ای و دوره‌ای جرثقیل است، کاهش می‌دهد. کاهش بار مؤثر و کاهش فرسودگی باعث افزایش عمر مفید تجهیزات و بهبود عملکرد کلی سیستم می‌شود.

با این حال، اتصال انعطاف‌پذیر دارای معایبی نیز می‌باشد. از جمله مشکلات اصلی آن می‌توان به پیچیدگی در فرآیند اجرا و نیاز به دقت بالای فنی در طراحی و نصب اشاره کرد. در صورتی که این دقت و توجه در مراحل اجرایی رعایت نشود، ممکن است مشکلات ساختاری ایجاد شده و عملکرد سیستم به خطر بیفتد. در ادامه، جزئیات دقیق‌تر و نحوه اجرای هر یک از این نوع اتصالات به‌طور مجزا مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

شکل 24. اتصال صلب فاقد هیچگونه دمپر به منظور کاهش اثرات بارهای دینامیکی جرثقیل

شکل 25. اتصال انعطاف پذیر (با تغییرشکل‌های الاستیک و جذب انرژی باعث کاهش اثرات بار جرثقیل روی سازه اصلی می‌شود)

حالا که به طور کامل انواع اتصالات سوله ها را مشاهده کردید و با ضوابط طراحی اتصالات سوله آشنا شدید در ادامه برای شما یک ویدئو از دوره طراحی سوله سبزسازه آماده کرده‌ایم که به عنوان نمونه، طراحی اتصال تیر به ستون در محل شانه را به طور کامل توضیح می‌دهد. این ویدئو رایگان را از دست ندهید.

12. پرسش و پاسخ

13. نتیجه‌گیری

سوله‌ها به عنوان یکی از پرکاربردترین و مهم‌ترین انواع سازه‌های فولادی در صنایع مختلف شناخته می‌شوند. این سازه‌ها به دلیل ویژگی‌های خاص خود از جمله قابلیت‌های ساخت سریع، هزینه پایین، و انعطاف‌پذیری در طراحی، برای انواع کاربری‌های صنعتی بسیار مناسب هستند. در ابتدای این مقاله، دلایل استفاده از سوله‌ها و طراحی هندسی آن‌ها با توجه به نیازهای متنوع صنعتی به تفصیل شرح داده شد. همچنین اجزای مختلف تشکیل‌دهنده یک سوله و ویژگی‌های اساسی هر یک، به همراه انواع مختلف اتصالات به‌کار رفته در این بخش‌ها، با دقت بررسی گردید.

در ادامه، نوع فونداسیون مورد استفاده برای سوله‌ها و روش‌های اتصال ستون‌های سوله به فونداسیون به‌طور جداگانه و علمی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. فونداسیون سوله باید ویژگی‌های خاصی نظیر پایداری بالا و مقاومت مناسب در برابر نیروهای دینامیکی و استاتیکی را داشته باشد، تا از انتقال صحیح بار به زمین و جلوگیری از بروز خرابی‌های ساختاری در طول زمان اطمینان حاصل شود. علاوه بر این، در برخی از سوله‌ها برای تسهیل در حمل و نقل مواد و مصالح و افزایش بهره‌وری تولید، از جرثقیل‌های سقفی استفاده می‌شود.

این جرثقیل‌ها معمولاً بر روی خود سوله نصب شده و قادرند تمام سطح داخلی سوله را تحت پوشش قرار دهند. در بخش پایانی این مقاله، انواع مختلف سیستم‌های قرارگیری این جرثقیل‌ها بر روی سوله‌ها و جزئیات اتصال اجزای مختلف جرثقیل به یکدیگر و همچنین به سوله به‌طور کامل توضیح داده شد. این اطلاعات به‌طور ویژه به مهندسان و طراحان سازه‌ای کمک می‌کند تا با دقت و آگاهی بیشتری نسبت به انتخاب و طراحی اجزای مختلف سوله‌ها اقدام نمایند.

14. منابع

1. آیین نامه بتن ایران (آبا) ویرایش 1400
2. مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1399
3. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1401
4. AISC358-22
5. AISC360-22
6. نشریه 038 صنعت نفت و گاز
7. نشریه شماره 325