تفاوت اتصال پیچی و جوشی در چیست؟ کدام بهتر و به صرفه تر است؟
سازه اسکلت فلزی مجموعه ای از اجزای سازه ای کوچک تر است که به طریق مختلفی در کنار یکدیگر تثبیت شده اند. اتصالات پیچ و مهره و اتصالات جوشی در حال حاضر دو نوع رایج اتصال در سازه فازی است. انواع اتصالات در سازه‌های فلزی قبل از پرداختن به تفاوت اتصال پیچی و جوشی بد نیست با انواع اتصالات مختصری پرداخته شود. اتصالات سازه‌های فلزی پیچ و مهره‌ای اتصالات پرچی اتصالات جوشی استفاده از پرچ در ایالات متحده در…
سازه اسکلت فلزی مجموعه ای از اجزای سازه ای کوچک تر است که به طریق مختلفی در کنار یکدیگر تثبیت شده اند. اتصالات پیچ و مهره و اتصالات جوشی در حال حاضر دو نوع رایج اتصال در سازه فازی است.
انواع اتصالات در سازه‌های فلزی
قبل از پرداختن به تفاوت اتصال پیچی و جوشی بد نیست با انواع اتصالات مختصری پرداخته شود.
اتصالات سازه‌های فلزی پیچ و مهره‌ای
اتصالات پرچی
اتصالات جوشی
استفاده از پرچ در ایالات متحده در سال ۱۹۵۱ با انتشار دستورالعمل کمیته تحقیقاتی پیچ و پرچ که در آن طرح جایگزینی پیچ و مهره به جای پرچ داده شده بود رفته رفته منسوخ و برداشته شد. ازجمله عوامل کنارگذاری پرچ رشد تکنولوژِی جوشکاری و همچنین پروسه پر دردسر، تخصصی و زمان بر تولید تا اجرا می‌باشد.
با این وجود ضوابط مربوط به ساخت و اجرای اتصالات پرچی کنار گذاشته نشده و هنوز توسط آئین نامه AICS ارائه می‌شود. شاید بتوان علت آن را وجود اتصالات پرچی در گوشه و کنار دنیا و شناخت و تحلیل آنها برای ارزشیابی مقاومت وترمیم این نوع اتصالات دانست که می‌توان به برج ایفل فرانسه، پربازدیدترین سازه جهان که نیمی از اتصالات ۵/۲ میلیونی آن پرچ می‌باشد اشاره کرد.
به هر روی از میان انواع روش‌های اتصال در سازه‌های فلزی همواره اعتماد و تکیه فنی و مهندسی بر اتصالات پیچ و مهره‌ای در سازهای فلزی بوده و طبق گزارشات بعمل آمده بیشترین خسارات در سازه‌های فلزی در هنگام زلزله مربوط به سازهای فلزی جوشی می‌باشد.
از این رو اتصالات حساس مانند جوش شیاری نفوذی گیردار تیر به ستون در محل کارخانه، و نصب اجزاء پیش ساخته سازه فلزی به‌وسیله پیچ و مهره صورت پذیرد. از این جهت علاوه بر تسریع اجرای پروژه، کیفیت اتصالات اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای نیز بهبود چشمگیری می‌یابد.
در این نوشتار ضمن بررسی محاسن و معایب اتصالات پیچ و مهره‌ای، انواع پیچ‌ها و عملکرد آنها در اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای، توصیه به استفاده از اتصال پیچی برای اتصالات قطعات فلزی می‌شود.
اتصالات مختلف در سازه‌های فلزی
انواع اتصالات تیر به ستون
انواع اتصالات پای ستون
اتصال دو تیرآهن به هم و تولید ستون یا تیر دوبل
اتصالات بادبندها به ستون و تیرها
اتصالات یاد شده با توجه به نوع صلبیت به روش‌های مختلف به یکدیگر اتصال یافته و تشکیل یک قطعه مجزا و در مرتبه بالاتر تشکیل اجزاء متعدد و واحد می‌دهند که ضمن حفظ یکپارچگی سازه فلزی بتواند وظایف خود را در کشش، خمش، برش و انتقال نیرو انجام دهد.
انواع روش‌های اتصال پیچ و مهره‌ای در اسکلت فلزی
اتصال ساده (مفصلی)
این اتصال تنها نیروهای قائم را تحمل می‌کند.
انواع اتصالات ساده عبارت‌اند از:
اتصال نبشی جان
اتصال با نبشی نشیمن (تقویت نشده)
اتصال ساده با نشیمن سخت شده (براکت)
اتصال نیم صلب (نیم گیردار)
اتصال صلب
انواع اتصالات صلب به شرح زیر هستند.
اتصال بال تیر به ستون به‌صورت مستقیم
اتصال با ورق فوقانی و تحتانی
اتصال فلنجی (مقاومت بسیار بالا در زلزله)
اتصال سازه فلزی با پیچ و مهره
پیچ: میله استوانه فلزی یا غیرفلزی که روی محیط آن دندانه ایجاد شده است.
گام پیچ: به فاصله دو دندانه متوالی گام پیچ گویند.
پیچ‌ها به‌عنوان یک وسیله اتصال مناسب در ساخت و اجرای سازه‌های فولادی (اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای) بسیار رایج و متداول هستند.
ازجمله مزایای استفاده از پیچ در سازه‌های فلزی پیچ و مهره‌ای می‌توان به عدم ایجاد تنش‌های پسماند مشابه اتصالات جوشی، امکان باز نمودن سازه و استفاده مجدد، عدم نیاز به کارگر ماهر، محدودیت در تأمین وسایل و تجهیزات جوشکاری و بی سرو صدا بودن هنگام نصب و اجرا اشاره کرد.
اما مشکل عمده در اجرای سازه‌های فولادی با اتصالات پیچی اجرای نامناسب سوراخ‌ها و عدم رعایت میزان نیروی پیش تنیدگی می‌باشد.
پیچ متریک چیست؟
اتصالات پیچی
با توجه به میزان مقاومت نهایی کششی مصالح پیچ، پیچ‌ها به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند:
پیچ‌های معمولی
پیچ‌های پرمقاومت
پیچ‌های معمولی
استفاده از پیچ‌های معمولی تنها در اتصالات اتکایی اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای مجاز می‌باشد. استفاده از پیچ‌های پر مقاومت در اتصالات اتکایی و اصطکاکی مجاز می‌باشد.
درصورتی که در یک اتصال نیاز به نیروی پیش تنیدگی باشد لزوماً باید از پیچ‌های پر مقاومت استفاده شود. در مناطق زلزله‌خیز به‌منظور استفاده از اتصالات پیچی لرزه‌گیر، باید از پیچ‌های پر مقاومت همراه با پیش تنیدگی استفاده نمود.
به عبارت دیگر در این مناطق، تمامی اتصالات از نوع اصطکاکی و پیچ‌ها همگی پر مقاومت و پیش تنیده می‌باشند. این اتصالات باید با حداقل بار پیش تنیدگی، پیش تنیده شوند. سوراخ‌ها نیز باید استاندارد باشند.
سوراخ لوبیایی کوتاه: این سوراخ در تمامی حالت‌های اتصالات اصطکاکی و همچنین اتصال اتکایی در حالت عمود بر امتداد نیرو مجاز است.
سوراخ لوبیایی بلند: این سوراخ در اتصالات اتکایی در امتداد عمود بر نیرو مجاز بوده و در اتصالات اصطکاکی تنها در یکی از ورق‌های اتصال در امتداد دلخواه می‌تواند وجود داشته باشد.
انواع عملکرد اتصالات پیچی
به طور کلی دو عملکرد در اتصالات پیچی می‌توان متصور شد که عبارت‌اند از:
اتصال اتکایی
اتصال اصطکاکی
عملکرد اتصال اصطکاکی
هنگامی که پیچ درون سوراخ صفحات اتصال قرار می‌گیرد، علاوه بر مهره باید از واشر نیز استفاده نمود. باید توجه شود که واشر مصرفی در اتصال اصطکاکی نباید از نوع واشر فنری باشد. بر اساس مبحث دهم در طراحی لرزه‌ای تنها باید از این عملکرد طراحی در اتصال استفاده شود.
به عبارتی دیگر، در طراحی همه اتصالات قاب‌های خمشی و قاب‌های دوگانه و نیز اتصالات بادبندی و وصله ستون‌های باربر جانبی در قاب‌های ساده باید از این نوع عملکرد استفاده کرد. در این نوع اتصال، علاوه بر سفت کردن نخستین پیچ، باید به مقداری که در طراحی مشخص شده است، نیروی پیش تنیدگی نیز در پیچ ایجاد شود.
عملکرد اتصال اتکایی
در عملکرد اتکایی، پیچ درون سوراخ صفحات اتصال قرار می‌گیرد و مهره بسته می‌شود. هنگامی که بار خارجی به پیچ وارد می‌شود، قطعات اتصال لغزش پیدا می‌کند که در اثر آن، یک نیروی فشاری به لبه‌های اتصال وارد می‌شود که تبدیل به نیروی برشی در پیچ می‌گردد.
این اتصال تنها برای حالت بارگذاری ثقلی می‌باشد و در طرح لرزه‌ای نباید از این نوع عملکرد در اتصال استفاده نمود. در این اتصال هیچ نیروی پیش تنیدگی در پیچ ایجاد نمی‌شود و برای اجرای این اتصال، تنها سفت کردن پیچ به‌وسیله کارگر کفایت می‌کند.
استفاده از جوش در اتصالات
نوعی دیگر از اتصال جوش است که بسیار مرسوم می‌باشد. شاید بهترین مزیت آن نسبت به اتصال پیچ و مهره‌ای طراحی با مفاهیم ساده برای اتصال می‌باشد.
بهترین نمود آن ساخت تیر ورق با سطح مقطع I می‌باشد که باید با استفاده از نبشی، پرچ و یا پیچ و مهره و واشرها را به جان متصل کرد، در صورتی که توسط جوش این تیر ورق به سادگی قابل ساخت است.
از طرف دیگر معایب جوشکاری شامل:
کنترل و بازرسی جوش که زمان بر و پر هزینه می‌باشد.
نیاز به استاد کار ماهر
ضریب بالای ایمنی جوش فقط در کارخانه و کارگاه میسر می‌باشد.
مشخصات فنی، کیفی و بعد جوش باید مطابق با نقشه باشد که موجب سختی کار برای اجرا می‌شود.
عواملی که در کیفیت اتصالات جوشی موثرند؟
دستیابی به اتصال جوشی مناسب و رضایت بخش، احتیاج به روند سازمان یافته دارد که از طراحی اتصال و انتخاب روش جوشکاری شروع شده و با انجام عملیات جوشکاری و بازرسی آن پایان می‌یابد. طرح سازه باید از عوامل موثر در کیفیت جوشکاری مطلع بوده و آنها را در طرح اتصالات خود به کار گیرد.
برای حصول جوش خوب باید پنج عامل زیر برآورده شود:
روش جوشکاری (Process selection)
آماده سازی درز Preparation
دستورالعمل جوشکاری (Procedure)
پرسنل (Personnel)
بازرسی وتایید جوش (Prove)
به مجموعه دستورالعمل‌های فوق، قانون پنج P گویند.
جلوگیری از خوردگی
می‌توان انتظار داشت مشخصات خوردگی هر نوع فولاد بدون در نظر گرفتن خواص فیریکی و شیمایی و نحوه تولید فولاد، بستگی به درجه رطوبت و آلودگی شیمیایی آب و هوا و تناوب خشکی و تر شدن سطح فولاد بستگی داشته باشد.
در صنعت راهکارهایی برای افزایش مقاومت خوردگی ابداع گردیده که در زیر به برخی از آنها اشاره می‌شود.
تولید فولاد پر مقاومت کم آلیاژ
تولید فولاد با استفاده از آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی مانند مس
استفاده از پوشش‌های رنگ‌آمیزی صنعتی و گالوانیزه کردن
مزایای ساخت اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای به اسکلت فلزی جوشی
بعد از پرداخت به تفاوت اتصال پیچی و جوشی به مزایای هر یک از آن ها در زیر پرداخته شده است.
سرعت اجرا: نسبت به سازه فلزی جوشی بالاتر می‌باشد.
سرعت نصب: باتوجه به حذف جوش و جای‌گذاری ساده قطعات در محل نصب و اتصال ساده پیچ و مهره که نیاز به مهارت خاصی ندارد. سرعت نصب اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای نسبت به دیگر سازه‌ها بالاتر است.
کیفیت ساخت: باتوجه‌به ساخت قطعات در محل کارخانه تحت نظارت و بازرسی دقیق نسبت به سازه‌های فلزی جوشی که در محل ساخته و نصب می‌شود بسیار بالاتر است.
پرت مصالح: در سازه‌های فلزی جوشی به دلیل سادگی اتصالات طراح با افزایش ضخامت، ابعاد مقطع و جوشکاری می‌تواند مقاومت سازه فلزی را افزایش دهد. در حالی که در اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای باتوجه به مانور بیشتر در طراحی، می‌توان از اتصالات خرپایی بیشتر و طبعاً از ابعاد و ضخامت سطح مقطع کاست.
ایمنی و پایداری سازه: اسکلت فلزی پیچ و مهره‌ای مقاومت بهتری در مقابل زلزله از خود نسب به دیگر اتصالات در سازه فلزی نشان می‌دهند.
هزینه کمتر: می‌توان انتظار داشت هزینه سازه‌های فلزی پیچ و مهره‌ای نسبت به جوشی پائین باشد.
عدم نیاز به فضای کار: قابلت اجرا در شلوغ‌ترین وکم حجم ترین موقعیت‌ها فراهم است.
رواج جهانی: در امریکا و اروپا تقریباً تمام سازه‌ها، پیچ و مهره‌ای هستند. مگر درشرایط خاص و کم اهمیت بودن سازه که به‌صورت جوشی اجرا می‌شود.
امکان استفاده در مدیریت حوادث: با توجه به نصب و برپایی ساده آن، امکان جمع و جابه جایی آن در مواقع حوادث مانند سیل و آتش سوزی نیز میسر است.
پروسه جوشکاری در دماهای بسیار بالایی اتفاق می‌افتد، این امر نه تنها باعث می‌شود مقاومت کششی فلز و سطوح فلزی اتصال کاهش یابد بلکه به آبکاری سطوح فلزی نیز آسیب می‌زند. علاوه بر این اتصال از طریق جوش قطعاتی که از یک جنس نیستند و اختلاف سایز و در مورد لوله‌ها اختلاف قطر دارند می‌تواند دشوار باشد.
در پروسه جوشکاری دو سطح خود سطوح نیز در پروسه قرار می‌گیرند و هر گونه خطا در این پروسه می‌تواند سطح را غیر قابل اتصال مجدد کنند یعنی نیاز به تغییر کامل قطعه که مشکل بزرگی را به وجود می‌آورد. این در حالی است که اتصالات پیچ و مهره خود سطوح را در پروسه دخیل نمی‌کنند و به راحتی قابل جایگزینی و تغییر هستند.
اتصالات جوشی می‌توانند بسیار زمان بر باشند مخصوصاً اگر پروسه بازرسی در عمق برای اتصال الزامی باشد. علاوه بر این پروسه جوشکاری دقیق نیاز به تکنسین‌های بسیار کارآزموده و با هزینه زیاد هستند. در برخی از صنایع مانند نفت و گاز یافتن چنین تکنسین‌هایی بسیار دشوار می‌باشد.
در ارتباط با اتصالات جوشی باید در نظر داشت در صورتی که عملیات جوشکاری با دقت و کیفیت بسیار بالایی انجام نشده باشد در برخی نقاط تمرکز تنش به وجود خواهد آمد و در این نقاط احتمال شکست اتصال بالا می‌رود حال آنکه اتصالات پیچ و مهره‌ای معمولاً با ضریب امنیت مناسب‌تری انتخاب می‌شوند و احتمال شکست کمتری در اثر تمرکز تنش دارند.