به اتصال، پیوندهایی گفته میشود که برای امتداد دادن یا افزایش به کار میروند. اتصالات، برای مثال، از این رو لازماند که طولها یا عرضهای نوردشده موجودِ ورقها کافی نیستند؛ در زمان نصب نیز بهمنظور محدود کردن ابعاد و وزن عناصر منفردی که جابهجا میشوند ضروری هستند. بستها به ورقهایی گفته میشود که گسست در اتصال را میپوشانند. همه پیوندهای دیگر، بهویژه آنهایی که میان اعضای خرپای با جهتهای مختلف و تیرها در صفحههای مختلف قرار دارند، اتصالات نامیده میشوند.
در اتصالات معمولی، بستها و پرچهای اتصال بر اساس نیروی کامل طراحی میشوند. بنابراین در اتصال معمولی، تماس سطوح اتصال الزامی نیست.
حوزه اصلی کاربرد اعضای کششی و فشاری (اینها اعضای راستینی هستند که عمدتاً تحت نیروهای نرمال بارگذاری میشوند) خرپاها هستند. بحثهای این بخش خطر کمانش اعضای فشاری را از نظر دور میدارند. نخست استحکام استاتیکی بررسی خواهد شد.
کسرِ سوراخها در میلههای کششی
ظرفیت باربری: حالت تنش در عضو کششی بهطور محسوس و موضعی بر اثر سوراخها/بازشوها تغییر میکند. در ناحیهٔ تناسب، توزیع تنش مطابق با مقطع تضعیفشده است (شکل 1). بیشترین تنش طولی در عضو مستطیلی بنا بر A. Henning عبارت است از:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
شکل 1 - تنشهای طولی و عرضی در میله سوراخدار a) بر اساس A. Henning؛ b) بر اساس M. Rudeloff
در حالت حدیِ d/b = 0 برای لتهای بسیار پهن از اینجا maxσ = 3σm به دست میآید و برای حالتی که در شکل 1a نشان داده شده است d/b = 1/3 و maxσ = 2,42 σm است. افزون بر تنش طولی، تنشهای عرضی و برشی نیز وجود دارند. بیشترین تنش در جدارهٔ سوراخ است. در آنجا نخستین تغییرشکلهای دائمی پدید میآیند، یعنی قلههای تنش از میان میروند و یکنواختشدن تنش در مقطع رخ میدهد. تغییرشکلهای دائمیِ محسوس در ناحیهٔ سوراخها تنها زمانی ظاهر میشوند که تنش متوسط σm در مقطعِ تضعیفشده از حد جاریشدن σFO فراتر رود. تغییر طولِ کلیِ میله در SF = Fm * σF فقط اندکی بیشتر از حالتِ میلهٔ بدون سوراخ است. (Fm سطحِ ضعیفترین مقطع است)
در آزمون کشش با میلههای پرچشده، شکست همواره در مقاطع تضعیفشده رخ میدهد. بار در لحظهٔ شکست، در شرایط معمول، بهقدر کافی با دقت از رابطهٔ SB = Fn * σB به دست میآید. آزمونهای پارگی روی میلههای کشیدهشده با سوراخهای باز، شکلهای شکست را همانند شکل 2 نشان دادند.
شکل 2 - تصاویر گسیختگی میلههای کششی
در آزمایشهای اتصالات پرچشده نشان داده شده است که وصلهها با یک ردیف پرچ، مقاومت کمتری نسبت به وصلههایی با چند ردیف پرچ پشت سر هم دارند. بر این اساس، تنش متوسط در شکست σB در مقطع مفید برابر بود با:
روش تعیین ابعاد برای اعضای کششی: بر اساس روش متداول محاسبه، برای تنش متوسط کششی باید σm = S/Fm ≤ dozσ برقرار باشد و این در تمام مقاطع مرجع Fm صدق میکند. کسر کردن سوراخها برای مقطع عمود بر محور با بیشترین تعداد سوراخ تعیین میشود، و ممکن است پیش آید که مقطع شکسته با چند سوراخ، مقدار کمتری از Fm را بدهد (شکل 2). از این نظر، برای مقاطع نوردشده Fm با بازگشایی محاسبه میشود. برای مقاطع مرکب نیز به همین صورت عمل میشود.
نسبت Fm/F طبق قاعده میان 0,8 و 0,9 قرار دارد، یعنی کسرِ سوراخها ΔF = F – Fm برابر 10% تا 20% از کل مقطع F میله است. در سازههای بزرگ، ΔF بهشدت بر وزن اثر میگذارد، بنابراین یافتن مقاطعی با کسر سوراخ کمتر ارزشمند است.
تغییرشکلها: افزایش طولِ الاستیکِ میلههای کششیِ دارای سوراخ، فقط اندکی بیشتر از میلههای مشابهِ بدون سوراخ است. افزایش طولِ کلیِ وصلهها تقریباً به اندازهٔ افزایش طولِ لایههای وصلهدار است. از اینرو برای محاسبهٔ تغییرشکل سازههای فولادی کافی است افزایشهای طولِ الاستیک با مقادیر E و Fِ میلههای بدون تضعیف تعیین شوند. ایمنی در برابر جاریشدن در میلههای دارای تضعیف از مثلاً میلههای فشاری بیشتر است.
توزیع نیروها در پرچها
شکل 3
توزیع نیروی S در میله بر روی پرچهای منفردِ اتصال، به ویژگیهای الاستیکی آن وابسته است و «استاتیکی نامعین» است. در حالت شکل 3، توزیع N1، N2، … به تغییر شکل پرچها و ورقهای متصل وابسته است و با نسبت Fpodvezice/Fštapa تغییر میکند. برای Fpodvezice ≠ Fštapa، نیروهای انتهایی در پرچها دیگر به یک اندازه بزرگ نیستند (شکل 50a). با کاهش نسبت Fpodvezice/Fštapa، Nn کمتر میشود، N1 به S نزدیکتر میگردد. اتصال لاملهایی با ضخامتهای بسیار متفاوت (شکل 4b) بهسبب بارگذاری بیش از حدِ نخستین پرچ مناسب نیست.
شکل 4 - بارگذاری پرچها برای Fštap > Fpodvezice
لاملاها و بستها صلباند، فقط پرچها الاستیکاند (شکل 5a). در نتیجه همه پرچها خمش یکسانی میگیرند، بنابراین همه نیروها در پرچها باید برابر باشند.
پرچها صلباند، فقط ورقها و بستها الاستیکاند (شکل 5b). از آنجا که افزایش طول در عضو و بستها میان پرچ اول و آخر باید برابر باشد، نتیجه میشود N2 = N3 = … = Nn-1 = 0، بهجز N1 = S * x1.
شکل 5
توزیع واقعی نیروها میان این حالتهای مرزی قرار دارد. اگر بار افزایش یابد، نخست در پرچهای انتهایی تغییر شکل دائمی پدید میآید، پرچهای با بیشترین بار تا حدی سبک میشوند و توزیع نیروها یکنواختتر میگردد. پس از بروز تغییر شکلهای بزرگتر، توزیع نیروها به حالتی نزدیک میشود که در آن لاملها و بستها صلب هستند، یعنی نیروها در پرچها تقریباً همگی برابرند، در صورتی که برشِ پرچها معیار باشد.
بار در هنگام گسیختگی: روش پرچکاری پرچها تقریباً بر τBV هیچ اثری ندارد. مقاومت برشی τBV اتصال عملاً مستقل از تعداد پرچها، آرایش آنها و شکل اتصال پرچشده است؛ بار گسیختگی با تقریب خوبی متناظر با بارگذاری یکنواخت همه پرچهاست. همین گفتهها در مورد اتصالات معمولی با پیچ نیز صادق است، و از اینرو میتوان نتیجه گرفت که مقاومت در برابر لغزش تأثیر اساسی بر ظرفیت باربری ندارد.
Dimensioning: در سازههای فولادی و اعضای تحت بارگذاری مرکزی، محاسبه بر پایه توزیع یکنواخت انجام میشود، یعنی برای هر پرچ N = S/n. از آنجا که در اتصالات بلند، نخستین پرچها خیلی زودتر بیشبار میشوند، از این رو تا حد امکان از بیش از 6 پرچِ پشتسرهم خودداری میشود.
مقاومت در برابر لغزش: لغزش در اتصالات حتی در بارگذاری نسبتاً کم نیز رخ میدهد. مقاومت در برابر لغزش در درجه نخست به نیروی پیشتنیدگی وابسته است که تحت تأثیر عوامل متعدد تغییر میکند. این موضوع در طراحی اتصالات با پرچ و نیز پیچهای متداول تاکنون نادیده گرفته میشد. به اتصالات با پیچهای پرمقاومت اشاره میشود.
توزیع نیروها در پرچها بر حسب عرض: در فاصلههای برابرِ پرچها عمود بر جهت نیرو (شکل 6a)، به هر پرچ نوارهایی با عرض برابر از سطح مقطع تعلق میگیرد، بنابراین در تقریب نخست، نیروهای وارد بر پرچها N = a t σ به یک اندازهاند. توزیع در فاصلههای نامساوی پرچها از نظر استاتیکی نامعین است؛ در حالت شکل 6b، این توزیع بر اساس قانون اهرم انجام میشود.
شکل. 6
میلهٔ کششی
ادامه: ادامه با مهارهای متقارن (شکل 3 و 4). نیروی S در میله در محل ادامه باید فقط توسط مهار تحمل شود. اتصالات پرچی در محل ادامه نیز باید بر اساس S اندازهگذاری شوند، زیرا باید تمام نیرو را از میلهِ ادامهیافته به مهارها منتقل کنند.
اتصالات با تسمهٔ یکطرفه با تنشهای خمشی اضافی قابلتوجهی در ورقهای متصل، تسمهها و پرچها همراه هستند. پوشش یکطرفهٔ اتصالات بهعلت تغییرشکلهای زیاد فقط در آن صورت بهکار میرود (شکل 7) که میله در برابر خمش صلب باشد یا از پهلو مهار شده باشد، بهطوری که نتواند خم شود.
شکل. 7
اتصال واسطهای – وقتی نوارهای اتصال نتوانند مستقیماً روی ورقهای متصلشده قرار گیرند، پرچها و ورقها تنشهای خمشی بهمراتب بیشتری میگیرند. ازاینرو، با توجه به تعداد لایههای میانی m، تعداد بیشتری یعنی n’ پرچ نسبت به تعداد n در پوشش مستقیمِ اتصال انتخاب میشود.
شکل 8
در مقاطع مرکب، بستها بهگونهای توزیع میشوند که از افزایشهای موضعی تنش جلوگیری شود؛ از اینرو، سطح هر یک از بستها بر اساس سطح بخشی از مقطع که میپوشانند تعیین میشود، ترجیحاً با حفظ موقعیت مرکز ثقل. توزیعهای سطح بست که از این قاعده منحرف میشوند، با تغییرات توزیع تنش مرتبط هستند. در شکل 9 ادامهٔ عضو تکجداره و در شکل 10 عضو دوتکه با 4 ورق عمودی و یک جان در میان نبشیها نشان داده شده است.
شکل 9
شکل. 10
اتصال: برای اتصالات میلههای کششی، در اصل همان روابطی که برای امتداد بهکار میرود، صادق است. آزمایشها برتری زیاد وارد کردن نیرو بهصورت متقارن را نشان دادهاند. در اتصال یکطرفه، خمیدگی شدیدی در جهت طولی و عرضی ایجاد میشود (شکل 11). با وجود تنشهای اضافی قابلتوجه خمشی، میلههای L و C که بهصورت یکطرفه متصل شدهاند تقریباً بهطور کامل قابل بهرهبرداریاند. ظرفیت باربری یک اتصال میتواند تا نصف کاهش یابد اگر برای برابر کردن لنگرهای خمشی اضافی تدابیری اندیشیده نشود.
شکل 11
برای پوشاندن اتصالات نباید از ورقهای گرهای استفاده کرد، بلکه باید برای آن تسمههای ویژهای پیشبینی شود. اتصال به ورق گرهای زمانی آسانتر میشود که بخش بزرگتری از مقطع میله در صفحهٔ ورق گرهای قرار گیرد.
شکل 12 - اتصالات با و بدون نبشی اتصال
میله فشاری
برای امتداد و اتصال میلگردهای فشاری همان اصولی بهکار میرود که برای میلگردهای کششی نیز صادق است، و در آنها نیز نیروی کلی از طریق پرچها و بستها منتقل میشود؛ یعنی بر اساس سطح کامل F میلگرد، سطح Fبست و Fs، یا بهترتیب Fl، تعیین ابعاد میشود. بهطور معمول سطوح وصلهها بهصورت دقیق جفت و جور نمیشوند. در سازههای فولادی ساختمان، در ستونهایی که از چند طبقه عبور میکنند و فقط تحت فشار بارگذاری شدهاند، امکان عبور با پوشش ضعیفترِ وصلهها بهکار میرود. ظرفیت باربری میلگردهای فشاری، اگر پیش از آن موارد ناپایداری رخ ندهد، حداکثر با رسیدن به حد تسلیم به پایان میرسد، زیرا در آن زمان تغییر شکلهای بزرگ پدید میآید و میلگرد بهصورت جانبی کمانه میکند. سوراخهای پرشده با پرچها در این میان تأثیر قابل ملاحظهای بر رفتار میلگرد ندارند.
استحکام در برابر خستگیِ اتصالات پرچشده
برای مقاومت خستگی اتصالات پرچشده، در درجه نخست قلههای تنشی که در سوراخها پدید میآیند تعیینکنندهاند. مقاومت خستگی حتی بهوسیله خودِ سوراخها بهطور محسوسی کاهش مییابد. میلههایی با سوراخهای باز، در آزمون خستگی تحت کشش در مقاطع تضعیفشده میشکنند و شکست خستگی از ترکهایی در لبه سوراخ آغاز میشود که پیوسته بیشتر و بیشتر از میان مقطع گسترش مییابند. از این رو، سوراخهای صاف اهمیت ویژهای دارند. در شکل 13 مقاومت خستگی میلههای تخت در کلاسهای مختلف نشان داده شده است (در سمت راست، کلاس فولاد بالاتر است). در بارگذاریهای قبلی بزرگتر σu، هر دو ماده مقاومت خستگی σDz بالای حد تسلیم را تحمل میکنند. دامنه تنش برای هر دو کلاس تقریباً یکسان است.
شکل 13 - مقاومت خستگی σDz
برای بارگذاری متناوب کششی و فشاریِ اتصالات پرچشده، اساساً روابطی مشابه با بارگذاری یکجهته برقرار است. شایان ذکر است که دامنهٔ تنش تحت بارگذاری متناوب حدود 1,5 برابر بزرگتر است (شکل 14), اما پرچها تحت این بارگذاری بهطور قابلملاحظهای بیش از بارگذاری یکجهته در معرض خطر قرار میگیرند.
شکل 14 - مقاومت خستگی در کششِ اتصالات پرچشده