طراحی سازه فولادی پیچ و مهره ای

طراحی سازه فولادی پیچ و مهره ای یکی از شیوه های رایج در طراحی سازه فولادی است. علاوه بر پیچ و مهره ، برای اتصال اعضای اسکلت فولادی از پرچ یا جوش نیز استفاده می شود. استفاده از پرچ یک روش منسوخ به حساب می آید اما روش جوشی هم از روش های متداول است. طراحی سازه فلزی پیچ و مهره نسبت به روش جوشی مزایا و معایبی دارد که در ادامه به آن می پردازیم.

طراحی سازه فولادی پیچ و مهره ای

الزامات طراحی سازه فولادی پیچ و مهره ای

مبحث دهم مقررات ملی ساختمان مربوط به الزامات طراحی سازه های اسکلت فلزی است. الزامات تحلیل انواع اتصالات در سازه فولادی شامل طراحی سازه فولادی پیچ و مهره ای و جوشی نیز در آن آورده شده است. جزئیات مربوط به پیچ و مهره های مورد استفاده از جمله این الزامات است.

از الزامات تحلیل و طراحی سازه فلزی پیچ و مهره ، تامین پایداری کل سازه و اجزای آن است. مطابق مبحث دهم ساختمان برای طراحی سازه های فولادی ، لحاظ کردن آثار زیر برای اطمینان از پایداری سازه فلزی و اجزای آن ، الزامی است:

تمام تغییر شکل ها اعم از محوری ، خمشی و برشی در اعضای سازه و تغییر شکل های سایر اجزا مانند اتصالات

آثار مرتبه دوم شامل P-∆  و P-δ

کجی و ناشاقولی و سایر نواقص هندسی

کاهش سختی اعضا

اطمینان ناکافی در برآورد سختی و مقاومت

طراحی سازه فلزی پیچ و مهره

انواع متداول پیچ های مورد استفاده در طراحی اسکلت فلزی پیچ و مهره ، پیچ های معمولی و پیچ های پر مقاومت هستند. عملکرد پیچ های مورد استفاده از دو نوع اتکایی و اصطکاکی است. پیچ های معمولی فقط مجاز به استفاده در اتصالات اتکایی هستند اما پیچ های پر مقاومت در هر دو نوع اتصال مورد استفاده قرار می گیرند. مطابق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در طراحی اتصالات پیچ و مهره ای در اتصالات اصطکاکی ، پیش تنیدگی پیچ ها اجباری است اما در اتصالات اتکایی نیازی به پیش تنیدگی نیست.­­­ حداقل نیروی پیش تنیدگی مورد نیاز در اتصالات اصطکاکی بر اساس پیچ مورد استفاده، در آیین نامه ذکر شده است. 

در سازه فلزی پیچ و مهره نکته بعدی که باید مورد توجه قرار گیرد اندازه درست و مناسب سوراخ هاست. سوراخ ها باید به نحو صحیح و استاندارد و متناسب با قطر پیچ در قطعات فولادی ایجاد شوند. انواع سوراخ های مورد استفاده در اتصالات پیچی عبارت اند از: سوراخ استاندارد ، سوراخ بزرگ شده ، سوراخ لوبیایی بلند و سوراه لوبیایی کوتاه . ابعاد اسمی سوراخ ها متناسب با نوع آن و اندازه پیچ مورد استفاده نیز در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ذکر شده است.

فاصله مرکز سوراخ ها از لبه عضو نیز در طراحی سازه فلزی پیچ و مهره اهمیت دارد. اگر لبه عضو با قیچی بریده شده باشد (بریده شده با گیوتین) این فاصله باید حداقل دو برابر قطر پیچ باشد و اگر لبه عضو نورد شده باشد این فاصله باید حداقل ۷۵/۱ برابر قطر پیچ باشد.

اسکلت فلزی

اتصالات اتکایی در طراحی سازه فولادی پیچ و مهره ای

در اتصالات اتکایی در طراحی سازه فولادی پیچ و مهره ای لقی و خستگی در اثر ارتعاشات یا نوسانات بارگذاری مسأله ساز نیستند ، بنابراین احتیاجی به ایجاد نیروی پیش تنیدگی نیست. مقاومت کششی طراحی و مقاومت برشی طراحی از طریق زیر محاسبه می شوند:

مقاومت کششی طراحی= ΦR_nt­=ΦF_nt A_nb

مقاومت برشی طراحی= ΦR_nv­=ΦF_nv A_nb

در محاسبات تعیین مقاومت ها از سطح مقطع اسمی پیچ و میله های دندانه شده استفاده  می شود. ضریب Φ در فرمول های اتصالات اتکایی در طراحی اسکلت فلزی ، ضریب کاهشی مقاومت و برابر با ۷۵/۰ است. R_nt و R_nv به ترتیب مقاومت کششی و برشی اسمی هستند. A_nb سطح مقطع اسمی وسیله اتصال است. تنش کششی اسمی و تنش برشی اسمی (F_nt و F_nv) مطابق مقادیر ذکر شده در جدول های آیین نامه محاسبه می شوند.

در صورتی که پیچ تحت تاثیر توأم کشش و برش باشد، تنش کششی اسمی و تنش برشی اسمی با فرمول دیگری محاسبه می شوند (F′_nt و F′_nv)، که از مقادیر آن ها در حالت قبلی (F_nt و F_nv)  کمتر هستند.

اسکلت فلزی پیچ و مهره

اتصالات اصطکاکی در طراحی سازه فولادی پیچ و مهره ای

محاسبه مقاومت کششی طراحی در پیچ های پر مقاومت با اتصالات اصطکاکی در طراحی سازه فلزی پیچ و مهره ، مشابه محاسبه مقاومت کششی طراحی در اتصالات اتکایی است. مقاومت برشی در پیچ های پر مقاومت با اتصال اصطکاکی ، بر اساس کنترل لغزش بحرانی تعیین می شود. در این نوع اتصال نیز در صورت وجود توأم کشش و برش ، مقاومت برش اسمی بر اساس فرمول دیگری تعیین می شود.

طراحی سازه فلزی پیچ و مهره ای

سایر مقاومت های کنترل شونده در طراحی سازه فولادی پیچ و مهره ای

در طراحی سازه فولادی پیچ و مهره ای مقاومت اتکایی در جدار سوراخ پیچ ،مقاومت کششی اعضا در مجاورت ناحیه اتصال ، مقاومت برشی اعضا در مجاورت ناحیه اتصال ، مقاومت فشاری اعضا در مجاورت ناحیه اتصال و مقاومت خمشی اعضا در مجاورت ناحیه اتصال باید کنترل شوند.

اتصالات فلزی پیچ و مهره

مقایسه اسکلت فلزی پیچ و مهره ای و جوشی

پیش از طراحی سازه فولادی پیچ و مهره ای یا جوشی بهتر است مزایا و معایب هر کدام را بشناسیم تا با توجه به شرایط تصمیم بگیریم. از عوامل مهم در انتخاب هر روش بررسی هزینه آن است. به نظر می رسد به دلیل استفاده از مصالح کمتر ، روش جوشی هزینه کمتری دارد اما از طرفی سرعت بیشتر اجرا در روش پیچ و مهره ای ، تفاوت هزینه مصالح را جبران می کند. از لحاظ کیفیت هیچ کدام برتری خاصی ندارند. اما معمولا کنترل تک تک جوش کاری های انجام شده ممکن نیست و بنابراین از لحاظ کیفیت، اتصالات پیچ و مهره قابلیت کنترل بهتری دارند. برتری بعدی اتصالات پیچی امکان تعمیر اتصالات است. اگر پس از انجام جوش کاری، احتیاج به تعمیرات باشد نیاز است قطعه بریده شود و مجددا جوش کاری انجام شود. اما اگر یکی از پیچ ها یا مهره ها آسیب ببینید امکان باز کردن و تعویض آن وجود دارد و نسبت به اتصال جوشی بسیار راحت تر است.

اسکلت فلزی پیچ و مهره ای و جوشی

نرم افزارهای طراحی سازه فلزی پیچ و مهره

از نرم افزارهای مورد استفاده در طراحی سازه فولادی پیچ و مهره ای می توان به ایتبس ، اتوکد و تکلا استراکچر اشاره کرد. از نرم افزار تکلا بیشتر برای طراحی اتصالات فلزی استفاده می شود.

طراحی سازه فلزی

هزینه طراحی سازه فولادی پیچ و مهره ای

در طراحی سازه فولادی پیچ و مهره ای طراحی هوشمند و کاهش مصالح مورد استفاده در کاهش هزینه بسیار اهمیت دارد. قیمت اسکلت فلزی پیچ و مهره بسته به تعداد طبقات ، مساحت پروژه ، اعضای فولادی به کار رفته ، مهارت طراح متفاوت است. طبق نرخ مصوب نظام مهندسی برای انجام خدمات طراحی مهندسی ، از جمله طراحی اسکلت سازه ، با افزایش تعداد طبقات و مساحت، هزینه طراحی افزایش می باید.