طراحی پیچ و مهره برای سازه فلزی

بخش ۱ کلیات

پیچ و مهره ، پین و پرچ جزء ابتدایی ترین اتصالات برای وصل کردن سازه های فلزی به یکدیگر می باشند . این اتصالات در مقایسه با اتصالات جوشی با مشکلات کمتری مواجه هستند و نیز به لحاظ اقتصادی ارزانتر می باشند .
دلایل برتری پیچ و مهره نسبت به پین و پرچ :
نکته قابل توجه در مورد پرچ که باعث شده است در مقایسه با پیچ و مهره کارایی خود را از دست بدهد ، این است که پرچ نیروی گیرنده متناقضی از طرفین وارد میکند که تشخیص ظرفیت اصطکاکی نیروی برشی با مشکل مواجه می شود حال آنکه در اتصال پیچ و مهره ای می توان نیروی برشی و ظرفیت اصطکاکی را دقیقا محاسبه نمود . در مقابل ،پین ها دنده ندارند و توانایی بهم فشردن قطعات و در نتیجه توانایی انتقال نیروی اصطکاکی بین قطعات را ندارند . پیچها عمدتا به دو روش بر روی یک سازه بسته میشوند:
به نوعی کار گذاشته شود که نیرو به موازات محور پیچ باشد ، که به آن نیروی تنشی وارد می شود .
به نوعی کار گذاشته شود که نیرو عمود بر محور پیچ باشد ، که به آن نیروی برشی وارد می شود .
دلایل برتری پیچ و مهره نسبت به اتصال با جوش :
سرعت نصب و اجرای اتصالات پیچ و مهره ای نسبت به اتصالات جوشی بسیار بالاتر می باشد ؛ چرا که در یک اتصال جوشی ساخت اسکله بعد از تخریب و اجرای فونداسیون می باشد ، حال آنکه در یک اسکلت پیچ و مهره ای ساخت اسکله در هر زمانی حتی قبل از تخریب امکان پذیر خواهد بود و می توان به سرعت سازه را در محل نصب کرد .بعلاوه سازه های پیچ و مهره ای از استحکام بیشتری برخوردار هستند، در صورت نیاز حتی می توان آنها را از هم باز کرده و در محل دیگری نصب کرد (مثل سوله ها) .شرایط محیطی تاثیر چندانی بر مراحل نصب با پیچ و مهره ندارند. در صورتی که جوشکاری محدود به درجه حرارت محیط ، تهویه هوا ، محل استقرار ، دسترسی به اتصال می باشد ؛ همچنین مقاومت در برابر آتش سوزی ، زلزله و خوردگی در سازه های پیچ و مهره ای از کیفیت بهتری برخوردار هستند .
اتصال سازه ها با استفاده از پیچ و مهره :
از آنجاییکه امروزه اتصالات پیچ و مهره ای به دیگر اتصالات ترجیح داده می شوند ، تمرکز خود را بر روی این نوع اتصال و قابلیت آنها خواهیم گذاشت .
نوع پیچ ها :
پیچ ها از لحاظ نوع،توسط استانداردهایی نظیر / ASTM: (ASTM A307- ASTM A325 – ASTM A490 – ASTM A194 – ASTM A195) (DIN931- DIN 933 – DIN 6914 – … ( / DIN – ISO 4014- ISO 4017 – …) ISO 7412 ) ISO : / GR : ( 12.9 – ۱۰٫۹ – ۸٫۸)
مشخص می گردند که در بخش محصولات و مشخصات فنی وب سایت این شرکت توضیحات کامل داده شده است که از تکرار آنها در این بخش خودداری می کنیم ، اما آنچه مورد توجه قرار خواهد گرفت کارایی آنها به نسبت استانداردها در تحمل نیروهای وارد بر آن ها می باشد .
طراحی نوع پیچ :
بطور معمول در طراحی سازه ها بایستی از ابتدا تا انتها پیچها از لحاظ متریال و ابعاد هماهنگ ویکسان طراحی شوند.در اقع یکی از اصول کلیدی عدم وجود تناقض و نیز سازگار بودن و هماهنگی طرحها تا حد امکان است ؛ چرا که پیچیدگی بیش از حد طرحها ممکن است باعث بروز خطا شود . در طول طراحی ملزومات مورد نیاز یک پروژه انتقال صحیح اطلاعات توسط مهندسین سازه به مجریان پروژه از مطالب ضروری است . عمدتا در ابتدا استاندارد پیچ ، خط فاصله و سپس حروف اختصاری بعد از ان قرار میگیرند .
حروف متداول عبارتند از :
-N : سازه از نوع اتصال اتکایی است و پیچها به نوعی کار گذاشته می شوند که رزوه ها داخل سطوح برشی می مانند .
X- : سازه از نوع اتصال اصطکاکی می باشد و رزوه ها در سطح برشی نمی مانند . (مثل DIN931 (
SC- : اتصال دارای لغزش بحرانی است . این بدان معناست که سطح رابط بایستی الزامات متناسب با اصطکاک پایدار را داشته باشند .
بستن پیچ :
بستن پیچ و نیروی وارد بر آن بر اساس نوع سازه به لحاظ اعمال نیروی پیش تنیدگی حائز اهمیت است و در ابتدا بایستی نیروهای وارد بر پیچ در نظر گرفته شود . چنانچه نیازی به اعمال نیروی پیش تنیدگی نباشد بایستی پیچ ثابت شده و مهره محکم گردد . بدیهی است هرچه پیچ سفت تر شود نیروهای وارد بر پیچ کمتر خواهد بود و توسط نیروی اصطکاکی به سطوح انتقال داده خواهد شد . اما در عوض نیروی پیش تنیدگی بیشتری در پیچ ذخیره خواهد شد که باعث کشیدگی بیشتر میشود . برای روشن شدن مطلب در ابتدا بایستی مباحثی چون نیروهای وارد بر پیچ ، گسیختگی کششی ، گسیختگی برشی و …. مد نظر قرار گیرند که به تفصیل به آنها خواهیم پرداخت .
تعیین حداقل ممکن :
هدف از بررسی تعیین حداقل ممکن بر اساس مقاومت برای حصول اطمینان از قدرت کافی مشخصه های سازه ای برای تحمل نیروهای فرض شده وارده بر آنها می باشد بنابراین در مورد پیچ ها اینگونه بیان می شود :
نیروی وارده بر پیچ ≥ مقاومت پیچ
نیروهای وارده بر پیچ بسته به نوع نیروی وارده بر آنان یعنی برشی ( عمود بر پیچ ) و یا تنشی ( موازی با محور پیچ ) تعیین می گردد .
نیروی وارد بر پیچ :
نیروی وارده بر تمام پیچ ها نتیجه رابطه نیروهای وارد شده بر اتصال و هندسه اتصال سازه است . اصول مکانیک و تحلیل سازه ای نیروی یک پیچ مشخص در یک اتصال را مشخص میکند که در بخش های بعدی انواع روشها و محاسبات نیروهای وارد بر پیچ را به تفصیل توضیح خواهیم داد .
مقاومت پیچ : پیچها دارای یک ظرفیت کششی و دو ظرفیت برشی هستند . که ظرفیت های اسمی هر کدام با R_n نمایش داده می شوند .
نیروی کششی توسط تعیین حداقل ممکن گسیختگی کششی کنترل می شود بنابراین خواهیم داشت:
نیروی کشش پیچ ≥ گسیختگی کششی پیچ
نیروی برشی با یکی از دو عوامل تعیین حداقل ممکن زیر کنترل می شود :
لغزش ( نیرویی که بر ظرفیت اصطکاکی سطوح متصل شده چیرگی پیدا می کند . )
گسیختگی برشی ( نیرویی که باعث ناتوانی یا شکست برشی پیچ میگردد . )
بنابراین خواهیم داشت :
نیرو برشی وارد بر پیچ ≥ مقاومت گسیختگی برشی پیچ
ار آنجاییکه استفاده از اتصال بیش از دو قطعه با پیچ معمول است نیروی منتقل شده توسط یک پیچ به عملکرد تعداد مقاطع برش در آن مقطع اتصال تبدیل می شود . بنابراین روش بهتر و مناسبتر تعیین حداقل ممکن بدین ترتیب خواهد بود :
نیروی برشی وارده بر مقطع برش ≥ مقاومت لغزشی مقطع برش
نیروی وارده بر مقطع برش ≥ مقاوم