اتصال اتکایی همراه با شکل آن از صفر تا صد زیر ذره‌بین

استفاده از پیچ برای اتصال قطعات سازه‌های فولادی مختلف امری بسیار رایج است چراکه این روش مزایای فراوانی دارد. انواع اتصالات پیچی دو نوع است که به آن‌ها اتصالات اتکایی و اصطکاکی گفته می‌شود. در این مقاله به بررسی کامل اتصالات پیچی با عملکرد اتکایی ، کاربرد اتصال اتکایی و تمامی نکاتی که در رابطه با این روش اتصال باید بدانید، خواهیم پرداخت.

این مقاله جامع و کامل را در مورد اتصال پیچی اتکایی از دست ندهید و با دست پر از آکادمی عمران خارج شوید!

انواع اتصالات پیچی

انواع اتصالات پیچی پرکاربرد در ساخت و اجرا سازه‌های فولادی دو روش اتصالات اصطکاکی و اتکایی هستند.

هر دو روش اتصالات پیچی توسط AISC و مقررات ملی ساختمانی ایران به رسمیت شناخته شده‌اند؛ بنابراین هر کدام از این روش‌ها ضوابط خاص خود را دارند.

یکی از موارد مهم در این اتصالات استفاده از پیچ پرمقاومت است که به روش یکسانی نصب و اجرا می‌شود.

اتصال اتکایی چیست؟

زمانی که بارهای خارجی به پیچ‌ها وارد می‌شوند، قطعات اتصالی می‌لغزند و در نهایت یک نیروی فشاری به لبه‌های اتصال وارد شده که سرانجام به نیروی برشی تبدیل می‌شود.

برخی اوقات در سازه‌های فولادی لغزشی جزئی میان صفحات اتصال مجاز است، که در این حالت از اتصال اتکایی که نام‌های دیگر آن اتصال معمولی یا غیر اصطکاکی است، استفاده می‌شود.

این لغزش به حالتی در بین صفحات است که بدنه پیچ با جداره سوراخ‌ها تماس می‌یابد. مهم‌ترین مورد در طراحی این نوع از اتصالات پیچی، مقاومت اتصال است.

رفتار اتصالات معمول و اصطکاکی تحت بارهای سرویس با یکدیگر بسیار مشابه است اما ضریب اطمینان در برابر لغزش صفحات در اتصالات اتکایی کمتر از ضریب اطمینان در برابر لغزش در اتصالات با عملکرد اصطکاکی است.

در اتصالات غیر اصطکاکی بعد از لغزش صفحات، انتقال بارهای وارد شده به اتصال توسط ترکیبی از عمل اصطکاکی و اتکایی در پیچ و در بدنه سوراخ انجام می‌شود.

اگر بارها به صورت استاتیکی به اتصال اتکایی اعمال شوند چون جهت بار با زمان تغییر نمی‌کند، لغزش فقط یک بار رخ می‌دهد.

اعمال بارهای دینامیکی سبب لغزش صفحات اتصال در جهت‌های گوناگون شده و محل تماس بدنه پیچ با جداره سوراخ دائماً تغییر می‌کند.

در مواردی که میزان لغزش بین قطعات زیاد است، از اتصال اتکایی می‌توان استفاده کرد. همچنین استفاده از اتصالات اتکایی تحت بارهای دینامیکی مثل زلزله مجاز نیست چراکه مقاومتشان در برابر این بارها سریعاً کم می‌شود.

نحوه انتقال نیرو در اتصال اتکایی پیچ

در اتصالات اتکایی یا لهیدگی، قطعه‌هایی که با استفاده از پیچ به هم متصل شده بودند، بعد از پشت سر گذاشتن مقاومت اصطکاکی جزئی به طور جهشی در عکس جهت یکدیگر شروع به لغزش می‌کنند.

مقاومت اصطکاکی جزئی میان اعضا در حالت کلی در نتیجه محکم بستن مهره‌های پیچ است. پس از لغزش، قطعات پیچ بر جداره سوراخ چسبیده و نیروهای اعمال شده با ایجاد تنش برشی در پیچ یا تنش فشار مستقیم در جداره و پیچ انتقال پیدا می‌کنند.

طوفان تخفیفی آکادمی عمران تو راهه

مشاهده جزئیات

برای درک بهتر این موضوع به شکل زیر توجه کنید، در این تصاویر اتصال اتکایی که پیچ‌های آن تحت اثر برش یک طرفه و دو طرفه هستند را به خوبی نمایش داده شده است:

با وارد کردن نیرو در اتصال شکل بالا رفتار اتصال ابتدا الاستیک و با افزایش آن رفتار اتصال وضعیت پلاستیک یا خمیری پیدا خواهد کرد.

نمودار آزاد ورق اتصال بالایی و پیچ در شکل زیر به خوبی نشان داده شده است:

همان طور که در شکل بالا متوجه شدید، گسیختگی اتصال پیچی با عملکرد اتکایی ممکن است با انهدام پیچ یا انهدام ورق همراه باشد.

شکل زیر انواع گسیختگی‌های ممکن در اتصال پیچی اتکایی که پیچ‌های آن تحت برش دو طرفه هستند را به صورت اغراق‌آمیز نمایش می‌دهد:

از هر کدام از انهدام‌های امکان‌پذیر که در شکل بالا نشان داده شده باید خودداری کرد.

به عبارتی باید تنش‌های ناشی از نیروهای اعمالی که ممکن است سبب هر کدام از انهدام‌های نشان داده شده در شکل بالا شود، محاسبه و با مقدارهای مجاز آن کنترل گردد.

همچنین افزون‌بر تنش‌های ناشی از نیروهای اعمالی در محل اتصال، ورق‌های اتصال هم باید توانایی تحمل نیروهای وارده را داشته باشند.

در ادامه، نحوه محاسبه تنش برای حالات گوناگون اتصال شکل اول توضیح داده می‌شود.

کنترل های موردنیاز در اتصالات اتکایی

ورق‌های اتصال که در شکل اول نشان داده شد، تحت تأثیر نیروهای کششی هستند و باید تنش در اثر نیروی کششی با توجه به وجود سوراخ در آن محاسبه و با مقادیر مجاز کنترل شود.

به طور کلی محاسبه و کنترل تنش‌های کششی در ورق‌های اتصال به این ترتیب است:

در روابط گفته شده A_g و A_e به ترتیب سطح مقطع کل و سطح مقطع خالص مؤثر و F_y و F_u به ترتیب تنش تسلیم و تنش نهایی مصالح ورق‌های اتصال هستند.

کنترل تنش برشی پیچ‌ها

تنش برشی موجود در پیچ‌های اتصال بر حسب تعداد پیچ‌ و سطح مقطع اسمی آن‌ها محاسبه می‌شود.

سطح مقطع اسمی هر پیچ با توجه به قطر اسمی آن تعیین می‌شود. در عمل ممکن است صفحه برش در ناحیه رزوه شده پیچ قرار داشته باشد، که در این صورت سطح مقطع مؤثر پیچ کمتر از سطح مقطع اسمی آن خواهد شد.

جهت جبران این افزایش تنش برشی در پیچ که در اثر کاهش سطح مقطع است، آئین‌نامه‌های طراحی تنش‌های مجاز برشی پیچ‌هایی که دندانه‌های آن‌ها در سطح برش قرار می‌گیرند را حدود 30 درصد کاهش می‌دهند.

در اتصالاتی که در آن‌ها تعداد پیچ‌های اتصال در هر ردیف در جهت‌های موازی و عمود بر امتداد نیرو زیاد باشد، اصولاً نیروی موجود بین تمامی پیچ‌ها به صورت مساوی توزیع نمی‌شود.

شکل زیر یک اتصال اتکایی پیچ که در آن، نیروهای اعمالی به پنج ردیف پیچ، موازی امتداد ورق‌ها هستند را نمایش می‌دهد.در اتصال شکل بالا توزیع نیرو بین پیچ‌ها باتوجه به صلبیت ورق‌ها و نیز پیچ‌ها تعیین می‌شود. حالت‌های زیر در کل برای توزیع نیرو بین وسایل اتصال ممکن است:

• اگر پیچ کاملاً صلب و ورق‌های اتصال انعطاف‌پذیر باشند، نیروهای اعمالی تنها توسط ردیف‌های اول و آخر منتقل شده و پیچ‌های ردیف میانی نیرویی تحمل نمی‌کنند.
• اگر ورق‌های اتصال کاملاً صلب و پیچ‌های اتصال را به طور کامل انعطاف‌پذیر در نظر بگیریم، تمامی پیچ‌ها به طور یکسان در باربری سهیم خواهند بود.

چون ورق‌های اتصال و پیچ‌ها هر دو خاصیت انعطاف‌پذیری دارند، توزیع واقعی نیرو بین پیچ‌ها وضعیتی مابین دو حالت گفته شده دارد.

در این حالت با اعمال نیرو ابتدا در پیچ‌های انتهایی لغزش ایجاد شده و دو ردیف a نیروی بیشتری را تحمل می‌کنند.

اما با افزایش نیرو و قبل از گسیختگی، تغییر شکل‌های خمیری بزرگی در اتصال ایجاد می‌شود و در این حالت نیروی تمام پیچ‌ها تقریبا برابر خواهد بود.

البته لازم به ذکر است که با افزایش تعداد ردیف‌های پیچ توزیع یکنواخت نیرو بین پیچ‌ها انجام نخواهد شد، به همین دلیل بهتر است تعداد ردیف‌های پشت‌سرهم در جهت امتداد نیرو به عدد 6 محدود شود.

پس می‌توان گفت که f_v تنش برشی موجود در هر پیچ از طریق رابطه زیر به دست می‌آید:

در این رابطه n تعداد پیچ‌های موجود در اتصال و A_b سطح مقطع اسمی پیچ و برابر πd_b²/4 بوده و F_v نیز تنش مجاز برشی پیچ است.

کنترل تنش‌ لهیدگی در پیچ

در ادامه تنش در اتصالات به کنترل تنش‌های لهیدگی می‌رسیم.

افزون‌ بر کنترل تنش‌های کششی ورق‌های اتصال در مقاطع خالص بحرانی و همچنین تنش برشی در پیچ‌ها باید تنش‌های لهیدگی در ورق‌های اتصال و همچنین پیچ‌ها محاسبه و کنترل شوند.

در اتصالات اتکایی زمانی که لغزشی میان ورق‌های اتصال اتفاق می‌افتد، بدنه پیچ با جداره سوراخ تماس پیدا کرده و به آن فشار وارد می‌کند.

توزیع تنش‌های فشار در اثر اتکاء که به آن تنش‌های لهیدگی نیز گویند، براساس علم تئوری الاستیسیته تعیین می‌شود.

منظور از لهیدگی، از هم گسیختگی یا از هم پاشیدگی ذرات تشکیل‌دهنده مصالح و از بین رفتن مقاومت اولیه آن‌ها است.

همانطور که یک قطعه گچ تحت اثر نیروی فشاری لهیده شده و تبدیل به پودر می‌شود، ذرات فولاد نیز در محل اتصال و در محل لهیدگی از هم جدا و ساختار اولیه خود را از دست داده و در نهایت ظرفیت باربری‌شان به میزان زیادی کاهش پیدا می‌کند.

هر چند توزیع نیرو در محل لهیدگی بر حسب روش‌های موجود در تئوری الاستیسیته به صورت سینوسی در حالت ارتجاعی است، اما جهت محاسبه تنش لهیدگی در اتصالات پیچی از فرضیه خمیری کامل استفاده می‌شود و توزیع تنش لهیدگی (f_p) بر روی جداره سوراخ و بدنه پیچ به صورت یکنواخت فرض می‌شود. برای درک بهتر این موضوع به شکل توجه کنید:بنابراین تنش موجود لهیدگی در اتصال اتکایی f_p از رابطه زیر محاسبه خواهد شد:

در رابطه بالا F_p(1) ، همان F_p ورق و F_p(2) همان F_p پیچ و منظور از n تعداد پیچ‌ها در محل اتصال، d_b قطر اسمی پیچ و t ضخامت ورق نازک‌تر است.

کنترل گسیختگی ورق در اثر برش

در ادامه توضیحات کامل تنش اتکایی به مبحث کنترل گسیختگی ورق در اثر برش می‌رسیم.

در شکلی که انواع گسیختگی‌ها را نشان دادیم یکی از موارد پارگی انتهایی ورق فوقانی در اثر برش بود، همانطور که می‎‌بینید در اثر اعمال نیروی خارجی انتهای ورق‌ها ممکن است در اثر برش گسیخته شوند.

در صورتی که فاصله سوراخ کنار تا لبه ورق یا فاصله سوراخ‌ها از هم کم باشد، ورق در پشت سوراخ بریده و پاره می‌شود.

شکل زیر به خوبی گسیختگی انتهای ورق را در امتداد خطوط 1-1 و 2-2 را نمایش می‌دهد:قطر سوراخ D و فاصله مرکز آن تا لبه انتهایی L_e است. در صورتی که α زاویه خطوط شکست با امتداد نیروی P را در جهت اطمینان برابر صفر فرض کنیم، چنانچه تنش مجاز برشی ورق اتصال F_v و ضخامت آن t باشد بدین شرح است:

با تعیین L_e می‌توان به رابطه زیر دست یافت:

جهت جلوگیری از پاره شدن انتهای ورق باید فاصله مرکز سوراخ تا لبه کناری L_e از مقدار گفته شده توسط رابطه بالا بیشتر باشد.

نیروی موجود P در پیچ را نیز می‌توان از طریق رابطه زیر بر اساس تنش لهیدگی f_p بدین ترتیب به دست آورد:

با جایگزین کردن دو رابطه بالا و رسیدن f_p به مقدار مجاز آن F_p می‌توان رابطه زیر را نوشت:

بر اساس مقررات ملی ساختمان یکی از محدودیت‌های فاصله‌ سوراخ‌ها از هم و از لبه‌های کناری با فرض F_v=0.25Fu از طریق رابطه زیر به دست می‌آید:

نتیجه این که جهت کنترل پارگی انتهای ورق باید حداقل فاصله مرکز سوراخ تا لبه انتهایی براساس ضوابط آئین‌نامه‌های طراحی رعایت شود.

بنابراین جهت طراحی اتصالات اتکایی (لهیدگی – معمولی) موارد زیر را باید رعایت کنید:

• تعیین تنش موجود کششی در ورق‌های اتصال بر حسب سطح مقطع کل و سطح مقطع خالص مؤثر و مقایسه با تنش‌های مجاز
• تنش موجود برشی در پیچ‌ها و مقایسه با تنش مجاز برشی پیچ
• تعیین تنش موجود لهیدگی در پیچ ورق‌های اتصال و مقایسه آن با تنش‌های مجاز لهیدگی
• حداقل فاصله مرکز سوراخ‌ها از هم و لبه‌های انتهایی جهت جلوگیری از پارگی ورق

تفاوت اتصالات اتکایی و اصطکاکی

• پیچ‌های مورد استفاده

پیچ مورد استفاده در اتصال اتکایی می‌تواند از نوع معمولی باشد اما در اصطکاکی حتماً باید از پیچ پر مقاومت استفاده کرد.

• نیروی موردنیاز

در اتصال اصطکاکی به نیروی پیش تنیدگی نیز نیاز است اما در اتکایی بسته شدن پیچ و مهره کافی است.

• استفاده مجدد

در روش اصطکاکی اگر پیچ‌های پیش تنیده یک بار باز و بسته شوند، نمی‌توان از آن‌ها دوباره استفاده کرد اما این موضوع در اتصالات اتکایی صدق نمی‌کند، بلکه امکان کاربرد دوباره وجود دارد.

• سرپیچ

از لحاظ اندازه سرپیچ، سرپیچ‌های استفاده شده در اتصال اصطکاکی بزرگ‌تر هستند.

• از لحاظ نصب

در اتصال اتکایی پیچ‌ها در سوراخ‌های هم محور نصب شده و محکم بسته می‌شوند.

اگر مایل به یادگیری تمام نکات اجرای ساختمان هستید توصیه می‌کنیم به آموزش اجرای ساختمان سر بزنید.

مسیر پیشنهادی مطالعه مقالات آکادمی عمران

مشاهده مسیر یادگیری