تُسمّى الوصلات التي تُستخدم للإطالة أو الزيادة وصلات امتداد. وتكون الوصلات ضرورية مثلًا لأن الأطوال أو العروض المدرفلة المتاحة للصفائح غير كافية، كما تكون ضرورية في التركيب بسبب تقييد أبعاد ووزن العناصر المنقولة. وتُسمّى الصفائح التي تغطي الانقطاع في الوصلة صفائح تغطية. أما جميع الوصلات الأخرى، ولا سيما تلك بين قضبان الجمالون ذات الاتجاهات المختلفة وبين الحوامل في مستويات مختلفة، فتُسمّى وصلات.
في الوصلات المعتادة تُصمَّم صفائح الربط ومسامير الوصلة على القوة الكاملة. لذلك لا يُشترط في الوصلة العادية أن تتلامس أسطح الوصلات.
تمثّل الجمالونات المجال الرئيسي لتطبيق القضبان المشدودة والمضغوطة (وهي قضبان مستقيمة تتعرض أساسًا لقوى محورية). وتتغاضى مناقشات هذا الفصل عن خطر انبعاج القضبان المضغوطة. وسيجري أولًا تناول المقاومة الساكنة.
خصم الثقوب في القضبان المشدودة
القدرة التحملية: تتغير الحالة الإجهادية في القضيب المشدود تغيرًا محليًا كبيرًا بسبب الثقوب/الفتحات. وفي منطقة التناسب، تتوافق توزيعات الإجهاد مع المقطع الضعيف (شكل 1). وأكبر إجهاد طولي في القضيب المستطيل هو، بحسب A. Henning:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
الشكل 1 - الإجهادات الطولية والعرضية في قضيب مثقوب أ) وفقًا لـ A. Henning؛ ب) وفقًا لـ M. Rudeloff
في الحالة الحدية d/b = 0 للشرائح العريضة جداً ينتج من ذلك maxσ = 3σm، وفي الحالة المبينة في الشكل 1a يكون d/b = 1/3 و maxσ = 2,42 σm. وإلى جانب الإجهاد الطولي توجد أيضاً إجهادات عرضية وقصّية. ويكون أكبر إجهاد على محيط الثقب. وهناك تظهر أولى التشوهات الدائمة، أي إن قمم الإجهاد تتبدد ويحدث تساوي الإجهادات عبر المقطع. ولا تظهر التشوهات الدائمة الملحوظة في منطقة الثقوب إلا عندما يتجاوز الإجهاد المتوسط σm في المقطع المضعف حد الخضوع σFO. أما الاستطالة الكلية للقضيب عند SF = Fm * σF فلا تزيد إلا قليلاً عن تلك الخاصة بقضيب من دون ثقوب. (Fm هي مساحة أضعف مقطع)
في اختبارات الشد على القضبان المبرشمة يحدث الكسر دائمًا في المقاطع الضعيفة. ويكون حمل الكسر، في الظروف المعتادة، دقيقًا بما يكفي: SB = Fn * σB. وقد أظهرت اختبارات الكسر على القضبان المشدودة ذات الثقوب المفتوحة أشكال الكسور كما في الشكل 2.
الشكل 2 - صور الكسر في القضبان المشدودة
أظهرت التجارب على الوصلات المبرشمة أن الوصلات ذات الشرائح مع صف واحد من البرشامات أقل مقاومة من الوصلات ذات عدة صفوف من البرشامات الواحدة خلف الأخرى. وبناءً على ذلك، كانت الإجهادات المتوسطة عند الكسر σB في المقطع الفعّال كما يلي:
إجراء التحجيم للقضبان المشدودة: وفقًا لطريقة الحساب المعتادة، يجب أن يتحقق للإجهاد الشدي المتوسط σm = S/Fm ≤ dozσ وذلك في جميع المقاطع المرجعية Fm. ويُحدَّد خصم الثقوب للمقطع العمودي ذي أكبر عدد من الثقوب، وقد يحدث أن يعطي المقطع المكسور ذي الثقوب الأكثر قيمة أصغر لـ Fm (شكل 2). وبهذا المعنى يُحسب Fm في المقاطع المشكلة بالدرفلة مع التفتح. أما في المقاطع المركبة فيُتبع النهج نفسه.
تتراوح النسبة Fm/F عادةً بين 0,8 و0,9، أي إن نقصان الثقوب ΔF = F – Fm يبلغ من 10% إلى 20% من كامل المقطع F للقضيب. وفي المنشآت الكبيرة يؤثر ΔF تأثيرًا كبيرًا في الوزن، لذلك يجدر البحث عن مقاطع ذات نقصان أقل للثقوب.
التشوّهات: إن الاستطالة المرنة للقضبان المشدودة ذات الثقوب لا تكاد تزيد عن تلك الخاصة بالقضبان المماثلة غير المثقوبة. والاستطالة الكلية للوصلات تكاد تساوي مقدار الاستطالة في الشرائح الموصولة. ومن ثم يكفي، لحساب تشوه المنشآت الفولاذية، تحديد الاستطالات المرنة بقيم E وF للقضبان غير المضعفة. أما الأمان ضد الخضوع فهو في القضبان التي فيها إضعاف أكبر، على سبيل المثال، منه في القضبان المضغوطة.
توزيع القوى في المسامير
الشكل. 3
يعتمد توزع القوة S في القضيب على المسامير الفردية في الوصلة على خصائصها المرنة، وهي «غير محددة استاتيكيًا». ففي حالة الشكل 3 يعتمد توزع N1، N2، … على تشوه المسامير والصفائح الموصولة، ويتغير تبعًا للعلاقة Fpodvezice/Fštapa. وعندما تكون Fpodvezice ≠ Fštapa لم تعد القوى الطرفية في المسامير متساوية المقدار (شكل 50a). ومع انخفاض نسبة Fpodvezice/Fštapa يصبح Nn أصغر، ويقترب N1 من S. أما وصل الصفائح ذات السماكات المختلفة جدًا (شكل 4b) فليس ملائمًا بسبب تحميل أول مسمار فوق طاقته.
شكل 4 - تحميل المسامير عندما يكون Fštap > Fpodvezice
الصفائح والروابط صلبة، وما عداها المسامير فقط مرنة (شكل 5a). عندئذٍ تتعرّض جميع المسامير لانحناء متساوٍ، ويجب أن تكون جميع القوى في المسامير متساوية.
المسامير صلبة، بينما الصفائح والرباطات فقط مرنة (الشكل 5b). وبما أن الاستطالات في القضيب والرباطات بين أول وآخر مسمار يجب أن تكون متساوية، فينتج N2 = N3 = … = Nn-1 = 0، باستثناء N1 = S * x1.
الشكل. 5
إن التوزيع الفعلي للقوى يقع بين هاتين الحالتين الحدّيتين. فإذا ازداد الحمل، يظهر أولًا تشوه دائم في المسامير الطرفية، فتخف الأحمال عن المسامير الأكثر تحميلًا ويصبح توزيع القوى أكثر انتظامًا. وبعد ظهور تشوهات أكبر، يقترب توزيع القوى من الحالة التي تكون فيها الصفائح والروابط الجانبية صلبة، أي إن القوى في المسامير تكاد تتساوى كلها، في الحالة التي يكون فيها القص في المسامير هو العامل الحاسم.
الحمل عند الانهيار: إن طريقة تثبيت البرشامات تكاد لا تؤثر في τBV. إن مقاومة القص τBV للوصلة تكاد تكون مستقلة عن عدد البرشامات، وعن توزيعها، وعن شكل الوصلة المبرشمة؛ ويقابل الحمل عند الانهيار، تقريبًا على نحو جيد، التحميل المنتظم لجميع البرشامات. وتنطبق التصريحات نفسها، بالمناسبة، على الوصلات العادية بالمسامير، ومن ذلك يمكن الاستنتاج أن مقاومة الانزلاق لا تؤثر تأثيرًا جوهريًا في القدرة التحميلية.
التصميم: في المنشآت الفولاذية والقضبان المحمّلة مركزيًا يُحسب التوزيع بانتظام، أي لكل مسمار برشام N = S/n. وبما أن المسامير الأولى في الامتدادات الطويلة تتعرض مبكرًا للتحميل الزائد، فيُفضَّل تجنب أكثر من 6 مسامير برشام متتالية.
مقاومة الانزلاق: يظهر الانزلاق في الوصلات ابتداءً من حمل صغير نسبياً. وتعتمد مقاومة الانزلاق أولاً وقبل كل شيء على قوة الشدّ المسبق، التي تتغير بتأثيرات كثيرة. وهي تُهمَل عند تصميم الوصلات بالبرشام وبالبراغي المتداولة حتى الآن. وتشير الإشارة إلى الوصلات بالبراغي عالية المقاومة.
توزيع القوى في المسامير البرشامية عبر العرض: عند تساوي المسافات بين المسامير عموديًا على اتجاه القوة (الشكل 6a)، تُخصَّص لكل مسمار شرائط متساوية العرض a من المقطع العرضي، وبالتالي تكون القوى في المسامير في التقريب الأول N = a t σ متساوية. أما التوزيع عند تباين المسافات بين المسامير فهو غير محدد استاتيكيًا؛ وفي الحالة المبينة في الشكل 6b يتم وفق قانون الرافعة.
الشكل. 6
القضيب المشدود
امتداد: امتداد مع دعامات ربط متناظرة (شكل 3 و4). يجب أن تتحمل دعامة الربط وحدها القوة S في القضيب عند موضع الامتداد. كما ينبغي أيضًا تصميم وصلات البرشمة في الامتداد بحسب S، لأنها يجب أن تنقل القوة كاملة من القضيب الممتد إلى دعامات الربط.
الوصلات ذات التغطية الأحادية مرتبطة بإجهادات انحناء إضافية كبيرة في الصفائح المتصلة والشرائح والمسامير. ولا يُطبَّق التغطية الأحادية للوصلات، نظرًا للتشوهات الكبيرة، إلا عندما (شكل 7) يكون القضيب صلبًا في الانحناء أو عندما يكون مدعومًا جانبيًا بحيث لا يمكن أن ينحني.
الشكل. 7
الوصلة غير المباشرة – عندما لا يمكن أن تستند الصفائح الرابطة مباشرة على الصفائح الموصولة، تتعرض المسامير والصفائح لإجهادات انحناء أكبر بكثير. لذلك يُختار، وفق عدد الطبقات البينية m، عدد أكبر n’ من المسامير مقارنةً بالعدد n في حالة تغطية الوصلة مباشرةً.
س. 8
في المقاطع المركبة تُوزَّع الروابط بحيث تُتجنب الزيادات الموضعية في الإجهاد، ولذلك تُحدَّد المساحات الفردية للروابط وفقًا لمساحة الجزء من المقطع الذي تغطيه، مع الحفاظ، قدر الإمكان، على موضع مركز الثقل. أما توزيعات مساحات الروابط التي تنحرف عن ذلك فهي مرتبطة بتغيرات توزيع الإجهاد. يبيّن الشكل 9 امتداد القضيب أحادي الجدار، ويبيّن الشكل 10 القضيب ثنائي الجزء مع 4 صفائح عمودية ولوح واحد بين الزوايا.
الشكل 9
الشكل. 10
الوصل: بالنسبة لوصل القضبان المشدودة تسري في الأساس العلاقات نفسها كما في الوصلة. وقد أثبتت التجارب التفوق الكبير لإدخال القوة بشكل متماثل. أما عند الوصلة من جهة واحدة، فينشأ انحناء شديد في الاتجاه الطولي والعرضي (شكل 11). وعلى الرغم من إجهادات الانحناء الإضافية الكبيرة، يمكن استغلال القضبان L وC الموصولة من جهة واحدة تقريبًا بالكامل. وقد تنخفض قدرة وصلة واحدة إلى النصف إذا لم تُتخذ تدابير لمعادلة عزوم الانحناء الإضافية.
الشكل. 11
للتغطية في الوصلات لا ينبغي استخدام الصفائح العقدية، بل يجب لذلك التنبؤ بشرائح تثبيت خاصة. ويكون الربط بالصفائح العقدية أسهل عندما يقع الجزء الأكبر من مقطع القضيب في مستوى الصفيحة العقدية.
الشكل 12 - وصلات مع وبدون زاوية وصل
قضيب مضغوط
تسري على الوصلات والوصلات التمديدية للقضبان المضغوطة المبادئ نفسها السارية على القضبان المشدودة، وفيها أيضًا تُنقل القوة الكلية بواسطة البرشام والشرائط الرابطة، أي إن مقطع القضيب الكامل F يُصمَّم على أساسه Fpodvezica و Fs، أو Fl. وكقاعدة عامة، لا تكون أسطح الوصلات متطابقة. وفي المنشآت الفولاذية في البناء، وعند الأعمدة التي تمتد عبر عدة طوابق وتكون محمّلة بالضغط فقط، يُستفاد من إمكانية العبور مع تغطية أضعف للوصلات. وتُستنفد قدرة تحمّل القضبان المضغوطة، إذا لم تسبق ذلك حالات عدم الاستقرار، على أبعد تقدير عند بلوغ حد الخضوع، إذ تظهر عندئذٍ تشوهات كبيرة وينبعج القضيب جانبيًا. ولا يكون للثقوب المملوءة بالبرشام عندئذٍ تأثير يمكن إثباته على سلوك القضيب.
مقاومة الوصلات المبرشمة للتعب
أما بالنسبة إلى مقاومة التعب في الوصلات المبرشمة، فتُعدّ في المقام الأول قمم الإجهاد التي تظهر عند الثقوب. وتتراجع مقاومة التعب بشكل ملحوظ بمجرد وجود الثقوب نفسها. فالقضبان ذات الثقوب المفتوحة تنكسر في اختبارات التعب تحت الشد في المقاطع الضعيفة، ويبدأ الكسر بالتعب بشقوق عند حافة الثقب، تمتد باستمرار أكثر فأكثر عبر المقطع. ولذلك فإن الثقوب الملساء ذات أهمية خاصة. يبيّن الشكل 13 مقاومة التعب للقضبان المسطحة في مختلف الفئات (والفئة الأعلى من الفولاذ على اليمين). وعند الأحمال السابقة الأكبر σu يتحمل كلا المادتين مقاومات التعب σDz فوق حد الخضوع. وسعة الإجهاد لكلا الفئتين متقاربة تقريبًا.
الشكل 13 - مقاومة الكلل σDz
بالنسبة إلى التحميل المتناوب على الشد والضغط في الوصلات المبرشمة، تنطبق في الأساس علاقات مشابهة لتلك الخاصة بالأحمال ذات الاتجاه الواحد. ويجدر التنبيه إلى أن سعة الإجهاد تحت التحميل المتناوب تكون أكبر بنحو 1,5 مرة (الشكل 14)، إلا أن المراسي/البراغي البرشامية تكون تحت هذا التحميل أكثر تعرضًا للخطر بصورة واضحة من تعرضها تحت التحميل ذي الاتجاه الواحد.
شكل 14 - مقاومة التعب للشد في الوصلات المبرشمة