1
اتصالات پيچي در سازه ها
محمد رضا بنان
دانشيار بخش مهندسي راه و ساختمان دانشكده مهندسي دانشگاه شيراز
چكيده : اين مقاله به ارائه كلياتي در مورد اتصالات پيچي مورد استفاده در سازه هاي متداول مي
پردازد . هدف اصلي اين ن وشتار آش نايي مقدماتي با پارامترهاي مؤثر در ط راحي اتصالات پيچ ي
مي باش د . در اي ن راستا پس از اشاره به كليات و معرفي انواع پيچ ها، نحوه بارگذاري و نيروهاي
اعمال شده به پيچ ها بيان ، سپس مقاومت پيچ ها تحت اثر تركيب تنش ها مطرح مي شود . در
خاتمه اتصالات پيچي با خروج از مركزيت مورد بررسي قرار مي گيرند.
1) مقدمه
اتصالات در كليه سازه ها ازجمله سازه هاي فولادي يكي از اجزاي اساسي سازه بوده و عامل اصلي يكپارچگي
سيستم هاي سازه اي مي باشند . يك اتصال ضعيف و نامناسب مي تواند منجر به يك سري زوال هاي پي در پي و بنيادي در
سازه فولادي گردد . ازآنجاكه زوال اعض اي سازه اي خيلي كم اتفاق مي افتد، بسياري از زوال هاي سازه اي ناشي ا ز طراحي
ضعيف اتصالات و يا ضعف در جزئيات اجرائي مي باشد.
در مواردي ديده مي شود كه اتصالا ت توسط مهندس محاسب طراحي نمي گردد و طراحي به عهده دفتر فني مجري
سازه گذاشته مي شود كه اقدام درستي نمي باشد . زيرا به فرض آنكه مجري داراي صلاحيت لازم براي انجام اين مهم ه م
باشد ، مسئله تداخل مسئوليت اجتناب ناپذير خواهد بود . از نظر اصولي و قانوني ، مهندس محاسب مسئول ارائه طرح كليه اج زاي
سازه اي ازجمله اتصالات مي باشد . در مواردي كه با توافق قبلي ، طراحي اتصالات توسط گ روه ديگري انجام مي پذيرد باز هم
مي بايد طرح نهائي و جزئيات ارائه شده توسط اين گروه به تائيد مهندس محاسب رسانيده شود.
2) عوامل اتصال
امروزه اجزاي سازه ه اي فولاد ي توسط جوش يا پيچ و يا تركيبي از اين دو به يكديگر متصل مي گردند . تا چند دهه قبل
اتصالات ت وسط جوش و يا پرچ انجام مي شد . براي نخستين بار در سال 1947 " كميت ه تحقيقاتي ات صالات پيچي و
پرچي" آمريكا تشكيل شد . اين كميته اولين دستورالعم ل خود را در سال 1951 انتشا ر داد . در اين دستورالعمل ضوا بط جايگزين
نمودن پيج هاي پر مقاومت به جاي پرچ ارائه گرديد . از آن تاريخ به بعد استفاده از پيچ به خصوص پيچ ها ي ب ا مقاومت ز ياد
بسيار رايج و مرسوم شد به طوريكه امروزه در سازه ه اي فولادي ديگر از پرچ استفاده نمي شود . دلايلي را براي اين تغيير ( يعني
استفاده از پيچ به جاي پرچ) مي توان برشمرد، ازجمله آنكه:
• براي نصب يك پيچ به دو ك ار گر معمولي نياز است درصورتيكه اجراي يك پرچ توسط چهار كارگر ماهر
انجام مي گيرد.
• اج راي پرچ يك عم ليات نسبت ا" خطرناك ، ( به علت حمل پرچ گداخته از محل كوره تا محل نصب ) و پر
سروصدا مي باشد.
• اجراي اتصالات پيچي بسيار سريع انجام مي گيرد و زمان نصب را به طور چشمگيري كاهش مي دهد.
با اين وجود ضو ا بط مربوط به ساخت و اجراي ات صالا ت پرچي كنار گذاشته نشده است و هنوز توسط آئين نامه
ارائ ه مي شود . زي را بسيا ر ي از سازه ه اي فولاد ي موجود در گوشه و كن ار ج هان داراي اتصالات پ رچي م ي باشند AISC
و شناخت ر ف تار آنها براي ارزشيا بي مقاومت ا ين سازه ها و ترميم سازه ه اي قديمي يك الزام مي باشد . به طوركلي، ا صول آناليز
و طراحي اتصالات پرچي نظير اتصالات پيچي مي باشد با اين تفاوت كه خصوصيات مصالح آنها متفاوت مي باشد.
نوع ديگر عامل اتصال ، جوش است كه بسيار مرسوم بوده و داراي چندين مزيت نسبت به پيچ مي باش د. يك ات صال
جوش ي از نظر طراحي ، براساس مفاهيمي نسبتا " ساده استوار مي باشد . بعضي از اتصالات پيچي كه طراحي و اجرا ي آ نها
2
I پيچيده مي باشند ب ا سهولت بيشتر توسط جوش طراحي و اجرا مي شوند . به عنوان مث ال برا ي ساخت يك تير ورق با مقطع
مي ب ايد ب ا استفاده از نبشي، پرچ و يا پيچ ، مهره و واشر بال ها را به جان متصل كرد در صورتيكه توسط جوش اين تير ورق به
.( سادگي قابل ساخت مي باشد شكل ( 1
شكل ( 1): جزئيات شماتيك ساخت يك تير ورق با استفاده از پرچ (يا پيچ) و جوش
از ط رف ديگر جوش نيز مشكلات خاص خود را دا رد . از جمله آنكه جوش كاري مي بايد توسط استادكاران ماهر انجام
و جوش اجرا شده مورد بازرسي هاي لازم براساس نوع جوش قرار گيرد . بازرسي جوش عملياتي دقيق، زمان گير و پرهز ينه مي
باشد . اين م شكل را مي توا ن ب ا اجراي جوش در كارگاه به جاي ج وشكار ي در سايت به حداقل ممكن ر سانيد . اجرا ي جوش ب ا
كيف يت مطلوب در شرايط كنترل شده كارگاهي با سهولت بيشتري نسبت به سايت ميسر مي باشد . درصورتيكه اتصا ل از تركيب
جوش و پيچ ساخته مي شود مي بايد عمليات جوشكاري در ك ار گاه و نصب پيچ ها در سايت انجام پذيرد . به عنوان نمونه در يك
اتصا ل برشي تير به ستون، ورق ات صال در كارگاه به بال ستون جوش شده و سپس در سايت توسط پيچ به ج ان تير متصل مي
.( شود، شكل ( 2
شكل ( 2): اتصال برشي تير به ستون
1-2 ) تنش هاي ايجاد شده در عوامل اتصال
به منظور بررسي و درك هرچه بهتر رفتار اتصالات مي توان آنها را براس اس نوع ب ار هاي اعمال شده به اتصال ،
گروه بندي و از نظر ماهيت تنش بوجود آمده بررسي نمود . نيروهاي و ارده به اتصالات عبارتنداز : ني روي برشي، نيروي كششي،
لنگر خمشي، لنگر پيچشي و يا تركيبات مختلف آنها. براساس پارامترهايي از قبيل نوع عامل اتصال ( جوش يا پيچ ) ، امتداد نيرو و
راستاي جوش و يا محور پيچ ظرفيت اتصال محاسبه مي شود.
در مواردي كه اتصال تحت اثر لنگر خمشي و يا لنگر پيچشي قرار مي گيرد به اين نكته مي بايد توجه شود كه لنگر
خمشي سبب ايجاد تنش هاي كشش ي و فش اري و لنگر پيچش ي عامل ب وجود آمدن تن ش برش ي م ي شود . لذا به منظو ر
طراحي ( جوش و يا پيچ ) ، ظرفيت عامل اتصال مي بايد تحت تأثير برش يا كش ش و يا تركيب آنها مورد بررس ي ق رار گ يرد .
شكل ( 3) چند نوع نيروي اعمال شده به عامل اتصال را نشان مي دهد.
جوش پرچ
3
شكل ( 3): چند نمونه از نيروهاي اعمال شده به عامل اتصال (پيچ يا جوش)
در شكل ( 3-الف ) وصله پوششي عضو كششي ساق پيچ ها را تحت اثر نيروي ب رشي قرار مي دهد . در شكل ( 3-ب ) جوش
- نشان داده شده مي بايد در برابر نيروهاي برشي مقاومت نمايد . اتصال دستك به بال ستون توسط جوش و يا پيچ در شكل ( 3
ج ) مي بايد با برش ح اصل از نيروي نشان داده شده ( برش مستقيم و برش ناشي از پيچش ) مقابله نم ايد . نيروي اعمال شده به
آويز شكل ( 3-د ) پيچ ها را در كشش قرار مي دهد . اتصال نشان داده شده در ش كل ( 3-و ) مي بايد براي تحمل برش و كشش
بوجود آمده (ناشي از خمش) طراحي شود.
همانگونه كه اشاره شد مقاومت جوش و يا يك پيچ به برش، كشش و يا تركيب آنها بستگي دا ر د . به علت آنكه
جوش در برش ضعيف مي باش د معمولا " فرض مي ش ود ( كه صرف نظر از امتداد خط جوش و رابطه آن با راستاي اعما ل نير و )
جوش در برش دچار زوال شود. لذا اتص الات ج وشي را براساس مقاومت برشي جوش طراح ي مي نمايند . پس از تعيين مقاومت
يك پيچ و يا واحد طول جوش به سهولت مي توان ظرفيت يك اتصال موجود را ارزشيابي و يا يك اتصال جديد طرح نمود.
اگر راستاي نيروي برآيند اعمال شده به اتصال از مركز ثقل آن عبور كند در اين صورت فرض مي ش ود كه هر ي ك از
- اجزاي ات صال سهم ي كسان در ت حمل ني روي وارده داشته و ات صال به عنوان " اتصا ل ساده " ناميده مي شود . در شكل ه اي ( 3
الف ) و ( 3-ب ) هر يك از پيچ ها و يا هر واحد طول جوش داراي ظرفيت يكسا ن بوده و با يك مقدا ر ثابت نيرو مقابله مي
(الف)
(ج)
(د) (و)
(ب)
4
نمايند . در اين صورت ظرفيت باربري ات صال برابر است با حاصلضرب ظرفيت هر پيچ و يا هر واحد طول جوش در تعداد پيچ ها و
يا طول خط جوش.
در صورتيكه راس تاي اعمال ني روي برآ يند از مركز ثقل اتصال عبور نكند طراحي اتصالات تحت اثر بارهاي خارج از
مركز مطرح مي شود . در اين صورت سهم باربري هر پيچ و يا واحد طول جوش يكسان و م ساوي نمي باشد. تعيين توزيع بار
بين اجزاي اتصال يك پارامتر نسبتا" پيچيده در طراحي اين نوع اتصالات مي باشد.
حال به طور خاص اتصالات پيچي را مورد بررسي قرار داده، ضوابط اساسي طراحي اين گونه اتصالات را ارائه مي
نماييم.
3) اتصالات پيچي
اتصالات پيچي يكي از رايج ترين و قا بل كنترل ترين نوع اتصالات بوده كه سبب بالا بردن كيفيت اجرا و سهولت
نصب درسايت مي شود . به منظور طراحي يك اتصال پيچي پس از معرفي انواع پيچ هاي متداول كه در سازه يك ساختمان
استفاده مي شوند تقسيم بندي اتصالات و سپس پارامترهاي اساسي كه در تعيين ظرفيت يك اتص ال پيچي مطرح مي باشند
ارائه مي شود.
1-3 ) انواع پيچ ها
پي چ ها براسا س خص وصيات ف ولاد سازنده آنها به دو گر و ه اصلي تقس يم مي شوند : پيچ هاي معمولي و پي چ هاي
پرمقاومت.در ادامه اطلاعات كلي و پايه اي اين دو گروه پيچ به صورت فشرده ذكر مي شوند.
( الف) پيچ هاي معمولي( 1
A با علامت 307 ASTM پيچ هاي معمولي كه به پيچ هاي " خام " ( 2) نيز معروف مي باشند براسا س استاندارد
مشخص مي شوند . اين پيچ ها با پيچ هاي پرمقاومت نه تنها از نظر خصوصيات مصالح بلكه به علت در نظر نگرفتن نيروي
گيره اي( 3) ناشي از محكم كردن پيچ نيز تفاوت دارند.
(1) Common bolts
(2) Unfinished bolts
(3) Clamping force
بطوركلي اين نوع پيچ ها با قطرهاي محدود ساخته مي شوند و در اتصالات اصلي سازه ها بكار نمي روند. از آنها مي
توان به عنوان پيچ مون تاژ و ي ا در اتصالات عناصر فرعي و سبك ( درصورتيكه تحت اثر بارها ي د يناميكي قرا ر نگيرند ) استفاده
نمود، درموارد غير از اين مي بايد از پيچ هاي پرمقاومت استفاده شود.
براي اين نوع پيچ AISC آئين نامه J3- براساس جدول 2
cm2
310 = تنش كششي اسمي MPa ~− 3100 kg
cm2
165 = تنش برشي اسمي MPa ~− 1650 gk
برابر است با Ab با سطح مقطع ساق حديده نشده A مي باشد. "مقاومت برشي طرح( 1)" براي پيچ هاي 307
design n ( ) 2 Ab (1)
cm
kg 1650 75 . 0 R R ⎟⎠
⎞
⎜⎝
=φ = ⎛
( درصورتيكه اتصال تحت اثر نيروي كششي قرار گرفته باشد در طراحي مي بايد نه تنها ظرفيت برشي پيچ بلكه مقاومت تماسي ( 2
عناصر اتصال داده شده كه به علت كشش تحت اثر تنش تماسي نيز قرار مي گيرند كنترل شود.
ب) پيچ هاي پرمقاومت
A و 490 A در دو رده 325 ASTM اين گروه از پيچ ها به من ظور استفاده در اتصالات سازه اي برا ساس استاندارد
مي باشد . اين پي چ ها A بيشتر از مقاومت نظي ر پيچ هاي 325 A ساخته مي شوند . مقاومت كشش نهايي پيچ هاي 490
5
گران تر مي باشند . درصورت A معمولا " در سازه ه اي ساخته شده از فولاد پرمقاومت ( 3) بك ار مي روند و از پيچ هاي 325
تعداد كمتري لازم مي باشد. A در مقايسه با پيچ هاي 325 A استفاده از پيچ ها 490
اين پيچ ها تحت اثر كشش به ميزان زياد قرار مي A و 490 A در موارد خاص با محكم كردن پيچ ها ي 325
16 مي تواند از حدود mm به قطر A گيرند . به عنوان مثال كشش اوليه ( نيروي پيش -كشش يا پيش تنيدگي ) در يك پيچ 325
6T 8 باشد. جدول ( 1) حداقل كشش لازم براي انواع پيچ ها را ارائه مي نمايد. T تا
(KN) جدول ( 1): حداقل نيروي پيش–كشش
(mm) قطر پيچ A325M پيچ A490M پيچ
M16 91 114
M20 142 179
M22 176 221
M24 205 257
M27 267 334
M30 326 408
M36 475 595
هر يك از اين مقادير % 70 مقاومت كششي پيچ مربوطه مي باشد . هدف از اعمال نيروهاي كششي رسيدن به نيروي گير ه اي
نشان داده شده در شكل ( 4) مي باشد.
با محكم كردن مهره ، قطعات اتصال در فشار و پيچ در كشش قرار مي گيرد . نيروي فشاري اعمال شده به قطعات
بين قطعات اتصال P اتصال و نيروي كششي حاصل در پيچ با يكديگر برابر مي باشند. درصورت اعمال يك نيروي خارجي نظير
ضريب اصطكاك μ م ي باشد كه در اين رابطه F = μN نيروي اصطكاك بوجود مي آيد . حداكثر اين نيروي اصطكاكي برابر
نيروي فشاري عمود بر سطوح داخلي قطعات اتصال N استاتيكي بين قطعات اتصال و
(1) Design shear strength
(2) Bearing strength
(3) High-strength steel
(الف) بدون اعمال بار خارجي
اجزاي اتصال اجزاي اتصال و پيچ
اجزاي اتصال
افزايش طول
6
شكل ( 4): نيروهاي اعمال شده به پيچ با كشش اوليه
μ بستگي به وضعيت اين سطوح دا ر د . به عنوان مثال اگر اين سطوح رنگ شده و يا زنگ زده باشند مقدار μ مي با شد. مقدا ر
بيشتر نب اشد، هيچگونه نيروي برشي و يا ن يرو ي F از نير و ي اصطكاكي P اعداد متفاوتي خواهد بود . ماداميكه ني روي خارجي
گر د د لغزش اتفاق افتاده و ني روها ي برشي و تماسي كه مي بايد توسط F بيش از P تماسي در پيچ بوجود نمي آي د. درصورتيكه
پيچ تحمل شوند بوجود مي آيند. اين امر سبب كاهش ظرفيت اتصال نسبت به وضعيت (بدون لغزش) مي شود.
كه در RCSC به منظور نصب پيچ هاي پرمقاومت و اعمال كشش اوليه مي توان از يكي از چهار ر وش پيشنهادي
ادامه به اختصار شرح داده مي شوند استفاده نمود.
محكم كردن مهر ه : جداولي وجود دا ر د كه براسا س نسبت طول پيچ به قطر آن ، تعداد دورهاي اضافي كه
مي بايد مهره پس از محكم كردن اول يه آن چرخانيده شود را ارائه مي نمايند . با استفاده از اين جداول و
محكم كردن مهره، كشش اوليه مورد نظر در پيچ به وجود مي آيد.
استفاده از آچار مدرج : با بهره گيري از اين آچار مي زان لنگر پيچشي به منظور رسيدن به كشش مورد
نظر ( كه قبلا " محاسبه شده است ) در يك پيچ با طول، قطر و رده خاص به صورت كاملا " كنترل شده قابل
اعمال مي باشد.
استفاده از پيچ هاي مخصوص : اين پيچ ها داراي اين وي ژگي مي باشند كه تحت اثر ني روي كشش ي
مع ين ، انتها ي ساق پيچ را مي توان به راحتي با پيچانيدن جدا نمود . براي نصب اين گونه پيچ ها مي باي د از
آچارهاي مخصوص استفاده نمود.
استفاده از شاخص اندازه گيري كشش مستقيم : ساده ترين اين شاخص ها يك واشر فنري مي
باشد. وقتيكه مهره محكم مي شود با اعمال فشار اوليه دو انتهاي واشر كه در يك صفحه واقع نمي باشند در
يك صفحه قرار مي گيرند و در پيچ نيز كشش متناظر با اين فشار حاصل مي شود.
پس از معرفي انواع پيچ هاي رايج به منظور طراحي اتصالات در ادامه پس از معرفي انواع اتصالات، مقاومت اين
پيچ ها تحت اثر تنش هاي گوناگون و تركيبات آن ها ارائه مي شود.
4) انواع اتصالات
به طور كلي در يك سازه اتصالات به دو گر و ه اتصا لا ت اصلي و اتصالات ثا نويه تق سيم بند ي مي شوند . در اتصالات
ثانويه استفاده از پيچ هاي معمولي مجاز و رايج مي باشد. در اتصالات اصلي الزاما" مي بايد از پيچ هاي پرمقاومت استفاه شود.
اتصالات اصلي كه با ب ه كارگيري پيچ هاي پرمقاومت اجرا مي شوند به دو گروه اتصالا ت اصطكاكي ( 1) و
اتصالات تماسي ( 2) تقسيم مي شوند . در يك اتصال اصطكاكي نيروي اعمال شده نبايد از نيروي اصطكاك بيشتر شود . لذا
رعايت ملاحظات مربوط به اعمال نيروي پيش-كشش ضروري مي باشد. در پل ها كه اتصالات تحت سيكل هاي زياد بارهاي
رفت و برگشتي قرار مي گيرند م ي بايد از اين نوع اتصالات استفاده شود زيرا درصورتيكه لغزش رخ دهد نيروي ناشي از
خستگي ( 3) در پيچ ها بحراني مي شود . اگر جلوگيري از لغزش يك پارامتر تعيين كنن ده نباش د مي توان از اتصالات تماسي
استفاده نمود . در اكثر سازه ها اتصالات از نوع تماسي مي باشند زيرا لغزش اتصالات يك عامل دلخواه در استهلاك انرژي و
فقط در اتصالات تماسي مي توانند A درنتيجه كاهش نيروي اع مال شده ب ه عناص ر سازه اي مي باشد . پيچ هاي 307
مورد استفاده قرار گيرند.
(ب) با اعمال بار خارجي
7
گرچه از نظر تئوري در اتصالات اصطكاكي پيچ ها تحت اثر نيروي برشي و نيروي ت ماسي قرار نمي گي رند ولي مي
بايد به منظور مقابله با امكان افزايش نيرو كه منجر به لغزش مي گردد اين پيچ ها داراي مقاومت برشي و مقاومت تماسي كافي
باشند.
براي سوراخ هاي استاندارد از رابطه زير محاسبه مي شود. ، Rstr ، مقاومت اتصالات اصطكاكي
Rstr = 1.3μTmNbNs (2)
تعداد Nb ، ( ( حداقل كشش اوليه ( براساس جدول ( 1 Tm ، ( ضريب اصطكاك استاتيكي ( معمولا " 0.33 μ كه در اين رابطه
تعداد صفحات برش عبوري از ساق يك پيچ مي باشند. Ns پيچ ها و
5) ظرفيت پيچ هاي پر مقاومت
در يك اتصال، پيچ تحت اثر تنش هاي برشي، كششي و يا تركيب آن ها قرار مي گيرد . بدين منظور تعيين ظرفيت
يك پيچ در وضعيت هاي مختلف تنش پارامتر اساسي طراحي اتصال مي باشد.
(1) Slip-Critical Connections
(2) Bearing-type Connections
(3) Fatigue
1-5 ) مقاومت برشي
مقاومت برشي پيچ هاي پرمقاومت به عبور و يا عدم عبور صفحه برش از A برخلاف پيچ هاي معمولي 307
محدوده حديده شده ساق پيچ بستگي دارد . در اين ص ورت ظرفيت ب رشي به ميزان
unthreaded
threaded
A
0.75 A كاهش مي يابد .
مقادير مقاومت برشي پيچ هاي پرمقاومت در زير خلاصه شده است.
Rn = 48Ab : صفحه برش واقع در ساق حديده شده A پيچ 325 : (i)
Rn = 60Ab : صفحه برش غير واقع در ساق حديده شده A پيچ 325 : (ii)
Rn = 60Ab : صفحه برش واقع در ساق حديده شده A پيچ 490 : (iii)
Rn = 75Ab : صفحه برش غير واقع در ساق حديده شده A پيچ 490 : (iv)
را با (iv) و (ii) و پيچ هاي رديف ها ي (A490-N و A325-N به صورت ) N را با حرف (iii) و (i) پيچ هاي رديف ها ي
مشخص مي نمايند. (A490-X و A325-X به صورت ) X حرف
2-5 ) مقاومت كششي
زمانيكه يك پيچ پر مقاومت بدون كشش اوليه تحت اثر نيروي كششي خارجي قرار گيرد، نيروي كششي درون پيچ با
نيروي اعمال شده برا بر مي باشد . درصورتيكه پيچ پيش-كشيده شده باشد، درصد بسيار زيادي از نيروي كششي خارجي صرف
ايجاد نيروهاي فشاري و يا گيره اي اعمال شده به اجزا ي اتصال مي شود . به دليل آنكه معمولا " كشش بوجود آمده در پيچ
هاي پرمقاومت ناشي از نيروي كشش ي خارجي در لحظه جدا شدن قطعات از يكديگر حدود % 10 بيش از كشش در ابتداي
بارگذاري مي باشد لذا مي بايد كليه پيچ هاي پر مقاومت كه تح ت اث ر ك شش مس تقيم ق رار مي گيرند صرف نظر از نوع
اتصال (اصطكاكي و يا تماسي) حتما" پيش-كشيده شوند.
3-5 ) تركيب برش و كشش
پيچ ها در اكثر موارد تحت اثر همزمان برش و كشش قرار مي گيرند . در اين موارد درحالت كلي اتصال تحت اثر
نيروي خارج از مركز قرا ر گرفته است . در حالت ساده زير ، شكل ( 5) ، امتداد نيروي اعمال شده از مركز ثقل اتصال مي گذرد
بنابراين چنين فرض مي شود كه پيچ ها به نسبت مساوي در تحمل مؤلفه هاي بار حاصل از نيروي اعمال شده به اتصال
8
و مؤلفه افقي ا ين ني رو ، (Vu )bolt باعث ايجاد برش F مشاركت مي نمايند . مي توان چنين فرض نمود كه مؤلفه قائم نيروي
را در يك پيچ بوجود مي آورد. در اين صورت مي بايد رابطه اندركنش زير برآورده شود (Tu )bolt كشش
(3)
( )
( )
( )
( ) 1.0
R
V
R
T 2
n v
u bolt
2
n t
u bolt ≤
⎥ ⎥⎦
⎤
⎢ ⎢⎣
⎡
+
⎥ ⎥⎦
⎤
⎢ ⎢⎣
⎡
φ φ
شكل ( 5): اتصال پيچي تحت اثر تركيب برش و كشش
مقاومت طرح پيچ در برش مي باشد. (φRn )v مقاومت طرح پيچ در كشش و (φRn )t در اين رابطه
براي اتص الات اصطكاكي كه هر پيچ تحت اثر همزمان برش و كشش قرار دارد، بر اثر نيروي كششي اعمال شده
براي در نظر گر ف تن اين اثر از AISC نيروي گ يره اي كاهش مي يابد درنتيجه ني روي اصطكاكي نيز كم مي شود . آئين نامه
ضريب كاهنده ( )
⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡
−
m b
u total
1.13T N
T
1 ( كه متغيرهاي آن قبلا " معرفي شده اند ) براي كاه ش مقاومت برشي پيچ ها در
اتصالات اصطكاكي استفاده مي نمايد.
6) اتصالات با خروج از مركزيت
در اين اتص الات كه اصطلاحا " اتص الات خارج از مركز ناميد ه م ي شوند برآ يند ني روها ي اعمال شده به اتصا ل از مركز
ثقل پيچ ها ( و ي ا جوش ها ) نمي گذرد . درصورتيكه اتصا ل داراي يك صفحه تقارن باشد، مركز سطح برش پيچ ها ( يا جوش ه ا)
را مي توان به عنوان مركز مختصات انتخاب نمود و فاصله عمود از خط امتداد ني رو تا اين مركز س طح " خرو ج از مركزيت "
ناميده مي شود. اتصال تير به ستون نشان داده شده در شكل ( 6) يك اتصال خارج از مركز متداول تير به ستون مي باشد.
شكل ( 6): اتصال با خروج از مركزيت تير به ستون
در اين اتصال دو سيستم انتقال نيرو و اعمال آن به پيچ ها و جود دا ر د : ات صال نبشي به جان تير و اتصا ل نبشي به بال ستون . در
اتصال نبشي به جان تير پيچ ها تحت اثر برش و پيچش واقع در صفحه اتصا ل قرار مي گيرند و ايجاد تنش هاي برشي و
پيچشي مي كنند . انتقال نيروي تكيه گاهي تير به ستون توسط مكاني زم ب رش و خ مش صورت مي گيرد . در اين صورت
(ج)
(الف) (ب)
صحفه برش
ستون بال پهن
سپري اتصال
F
9
تمامي پيچ هاي اتصال دهنده نبشي به جان ستون تحت اثر برش قرار گرفته علاوه بر آن تعدا د ي از آنها تحت اثر كشش و
تعدادي تحت اثر فشار نيز قرار مي گيرند. پيچ هايي كه در قسمت فوقاني اتصال قرار گر ف ته اند تحت اثر تركيب همزمان برش و
كشش و پيچ هايي كه در قس مت پايين اتص ال مي باشن د صرف ا" تحت اث ر برش طراحي مي ش وند ( زيرا ني روي فشاري به
وجود آمده ناشي از خمش باعث اتصال هر چه بيشت ر نبشي به بال ستون مي شود ) . بوجود آمدن اين نيروي فشاري نه تنها سبب
كاهش ظرفيت پيچ ها نمي شود بلكه بسيار مفيد هم مي با شد. شايان ذكر آنكه در طراح ي لرزه اي اتصالات ( به علت ماهيت
رفت و برگشتي نيروها) براي پيچ هاي پايين چنين اتصالي نيز از همان پيچ هاي فوقاني (با آرايش يكسان) استفاده مي شود.
1-6 ) اتصال تحت اثر برش خارج از مركز
نمونه اي از اين نوع اتصال و بار برشي اعمال شده در شكل ( 7) نشان داده شده اس ت. براي تحليل اينگونه اتصالات
دو روش "آناليز الاستيك" و "آناليز مقاومت نهايي" وجود دارد.
شكل ( 7): اتصال تحت اثر برش خارج از مركز
در روش آناليز الاستيك بار برشي خارج از مركز با يك بار ا ع مال شده در مركز سطح پيچ ها و لنگر پيچشي ناشي از
خروج از مركزيت نيروي برشي جايگزين مي شود. در اين صورت فرض مي شود كه كليه پيچ ها داراي ظرفيت يكسان در مقابله
ب ا نيروي برشي متم رك ز و لنگر پيچشي اعمال شده مي باش ند . به علت آنكه تنش هاي حاصل برشي هستند ب ا استفاده از روابط
معمول مقاومت مصالح و فرض آنكه رابطه نيرو-جابجايي خطي بوده و تنش هاي بوجود آمده از تنش تسليم فراتر نمي روند كل
ظرفيت سيستم به سهولت قابل محاسبه مي باشد . اين روش گرچه دقيق نم ي باشد ولي به علت سادگي ر وش محاسباتي و
همچنين محافظه كارانه بودن نتايج آن متداول بوده و بسيار مورد استفاده قرار مي گيرد.
با استناد به نتايج آزمايشگاهي مشخص شده است كه براي يك پيچ نمي توان تنش تسليم برشي دقيقي تعيين نمود .
لذا همانگونه كه اش اره شد روش آ ن اليز الاستيك چندان دقيق نمي باشد . روش مقاومت نهايي از روش آناليز الاستيك دقيق تر
بوده ولي از پيچيدگي محاسباتي بيشتري نيز برخوردار مي باشد.
اين روش براساس فرضيات زير استوار مي باشد.
• در شرايط زوال، گروه پيچ ها حول يك نقطه بنام مركز آني( 1) دوران مي كنند.
• تغير شكل هر پيچ در جهت عمود بر شعاع دوران و متناسب با فاصله آن پيچ از مركز آني مي باشد.
• ظرفيت اتصال براساس ظرفيت نهائي دورترين پيچ محاسبه مي شود.
• قطعات اتصال داده شده در كليه مراحل اعمال و انتقال نيرو به پيچ ها داراي رفتار صلب مي باشند.
2-6 ) اتصال تحت اثر برش و كشش
ناشي از انتقال نيرو به ) Pe در يك چنين اتصالي كه نمونه اي از آن در شكل ( 8) نشان داده شده است لنگر خمشي
مركز سطح اتصا ل ) سبب افز ايش تنش كششي در پيچ ه اي رديف بالا مي شود . واضح است كه ك ليه پيچ ها به صورت همزمان
نيز قرار مي گيرند. P تحت اثر برش يكسان ناشي از نيروي متمركز
10
(1) Instantaneous Center (IC)
شكل ( 8): اتصال تحت اثر برش و كشش
درصورتيكه پيچ هاي پرمقاومت پيش كش يده باشند، سطح تماس بين بال ستون و بال سپري اتصال قبل از آنكه بار
خارجي اعمال شود تحت اثر ف شار يكنواخت قرار مي گ يرد . اين تنش فشاري تماسي برابر است با كل ني روي كششي درون پيچ
فشار موجود در سطح تماس در ناحيه فوقاني كاهش و در ناحيه تحتاني افزايش مي P ها تقسيم بر سطح تماس . ب ا اعمال بار
يابد . لحظه اي كه تنش فشاري در قسمت فوقاني سطح تماس صفر مي شود بال سپري اتصال از بال ستون جدا شده و كشش
فقط توسط كشش بوجود آمده در پيچ ها تحمل خواهد شد. طراحي اتصا ل به علت وجود ،Pe ، ناشي از خروج از مرك زيت
همزمان نيروي برشي و نيروي كششي با تغيير متغيرهاي طراحي و برآورده نمودن رابطه اندركنش ( 3) انجام مي شود.
7) نتيجه
در اين نوشتار سعي شده است كلياتي از پارامترهاي مؤثر در طراحي اتصالات پيچي به صورت فشرده ارائه شود .
مطالب اين مقاله صرفا " به عنوان سرآغازي ب ر آشنايي با اتصالات پي چي بوده و به هيچ عنوان از جا م عيت برخوردار نبوده و
بيانگر جزئيات رفتاري، طراحي و اجرايي اينگونه اتصالات نمي باشد.
در اين مقاله پس از ارائه مقدمه اي كلي در رابط ه ب ا ات صالات، به نكاتي در م ورد عوام ل اتصال يعني پرچ، پيچ و
جوش اشاره شده است. در ادامه اتصالات پيچي به طور خاص مورد بررسي قرار گرفته اند. به منظور درك بهتر مفاهيم مربوط به
ات صالات پيچي ابتد ا به معرفي انواع پيچ ها و كاربرد آنها و سپس مقاومت هاي طرا ح ي پيچ ها تحت اثر تنش هاي برشي و
كششي همچنين تركيب اين تنش ها پرداخته شده است.
اتصالات اصطكاكي و تماسي كه با به كارگيري پيچ هاي پرمقاومت طراحي و اجرا مي شوند بخش ديگري از اين
نوشتار مي باشد . در اين راستا پس از توصيف مكانيزم نيروي پيش -كشش و عملكرد آن بر روي رفتا ر اينگونه پيچ ها، روش
هاي اج رايي اعمال پيش تنيدگي و نصب پيچ هاي پرمقاومت بيان گرديده است . در خاتمه كلياتي در مورد اتصالات پيچي خارج
از مركز و رفتار آنها ارائه شده است.
8) مراجع
1. Manual of Steel Construction. (2005). AISC-LRFD.
2. Gaylord, E. H., Gaylord, C. N. and Stallmeyer, J. E. (1992). Design of Steel
Structures. McGraw-Hill, Inc. New York, N. Y.
3. Salmon, C. G. and Johnson, J. E. (1996). Steel Structures-Design and Behavior.
Harper Collins College Publishers. New York, N. Y.
4. Segui, W. T. (1999). LRFD Steel Design. Brooks/Cole Publishing Company. Pacific
Grove, CA.
=
ایا میدانید :
