سازههای ساختمانی باید پایداری و استحکام کافی داشته و همچنین به شکل بهینه طراحی شده باشند. از مهمترین اجزای یک سازه که در پایداری و استحکام سازه موثر است، اتصالات سازه است. روشهای بسیاری برای اجرای اتصالات در ساختمانها وجود دارد و شاهد ظهور روشهای نوین در این بخش از صنعت ساختمان نیز هستیم. شناخت انواع روشهای اتصال در ساختمان در طراحی بهینه و اجرای صحیح سازه امری ضروری است.
اهمیت اتصالات در ساختمان سازی
اتصالات یکی از اجزای اصلی تشکیل دهنده سازه ساختمان بوده و نیاز به طراحی و اجرای دقیق دارند. در ادامه اهمیت و نقش اتصالات در ساختمان از جنبههای متفاوت مورد بررسی قرار میگیرد:
انتقال و توزیع بار: عملکرد صحیح سازه زمانی رخ میدهد که بارهای وارد بر هر عضو سازه در مسیر مورد انتظار طراحان حرکت کرده و در نهایت به زمین منتقل گردند. هنگامی که بارهایی مانند بارهای ثقلی (بارهای مرده و زنده) یا نیروهای جانبی (بارهای باد یا زلزله) بر سازه وارد میشوند، ضروری است که به طور مؤثر به زمین منتقل شوند تا پایداری و یکپارچگی سازه حفظ شود. انتقال بارها به زمین در درجه اول به مسیر بار طراحی شده در سازه بستگی دارد. این مسیر از نقطه اعمال بار آغاز میشود و از طریق اجزای مختلف سازهای امتداد مییابد تا به فونداسیون رسیده و در نهایت به زمین منتقل گردد. مسیر بار باید به گونهای طراحی شود که بارها را به طور موثر توزیع کند و از تمرکز تنش موضعی یا فشار بیش از حد بر هر جزء سازه جلوگیری کند.
اتصالات نقش مهمی در تسهیل انتقال و توزیع بارها از یک جزء سازهای به جزء دیگر و در نهایت به زمین دارند. اتصالات به عنوان رابط بین عناصر مختلف عمل کرده و امکان انتقال نیروها و گشتاورها را فراهم می کنند. با ایجاد اتصالات قوی و قابل اعتماد، بارهای تجربه شده توسط یک جزء را می توان به طور موثر به اجزای مجاور منتقل کرد و یک مسیر بار پیوسته را تشکیل داد.
تأمین مقاومت: در انتقال بار بین اجزای سازه، اتصالات باید هر دو نیاز استحکام و سختی را تأمین کنند. جنبه استحکام بر ظرفیت اتصال برای مقاومت در برابر بارهای وارده بدون شکست متمرکز است. اتصالات باید طوری طراحی شوند که از استحکام کافی برای جلوگیری از خرابی و شکست مفصل برخوردار باشند. جنبه سختی به توانایی اتصال برای حفظ موقعیت نسبی اعضای متصل تحت بار میپردازد، و با محدود کردن جابجاییها و تغییرشکلها، رفتار سازه را کنترل میکند.
انسجام و یکپارچگی سازه: اتصالات، حلقههای اصلی تشکیل یک سیستم منسجم و پایدار هستند و نقشی حیاتی در ساخت و ساز دارند. چه در سازههای بتنی و چه در سازههای فولادی، اتصالات یکپارچگی و پایداری کلی سازه را فراهم کرده و تضمین میکنند که سازه میتواند در برابر بارهای مورد نظر و عوامل خارجی مانند باد، نیروهای زلزله و بارهای مرده و زنده مقاومت کند. آنها این اطمینان را میدهند که اجزای مختلف سازه مانند تیرها، ستونها، دالها و دیوارها به طور ایمن به یکدیگر متصل شده و یک سیستم واحد را تشکیل میدهند. اتصالات قوی و قابل اعتماد، بارها را به طور موثر توزیع کرده و خطر تغییر شکل بیش از حد و شکست سازه را کاهش میدهند.
دوام: اتصالات به طور مستقیم در پایداری و دوام سازه موثر هستند. در صورتی که اتصالات به دلیل طراحی یا اجرای نامناسب، ضعیف و ناکارآمد باشند، توزیع بار به خوبی صورت نگرفته و ممکن است تمرکز تنش موضعی در بخشی از سازه به وجود بیاید که موجب ایجاد خرابی و فرسایش زودرس در اعضای سازه میشود. همچنین اتصالات ناکافی، یکپارچگی سازه را تأمین نکرده و میتواند منجر به ایجاد ترک در اعضای مختلف ساختمان گردد. ترکها از عوامل اصلی کاهش دوام ساختمان هستند چرا که راهی برای رسیدن عوامل شیمیایی و محیطی خورنده به داخل اجزای ساختمان هستند.
ایمنی: اتصالات ضعیف به نقاط آسیب پذیر در سازه تبدیل میشوند و پتانسیل شکست و تخریب در آن بخش از سازه را به وجود میآورند. اتصال نامناسب با افزایش احتمال شکست یا خرابی سازه، ایمنی ساکنین را به خطر انداخته ساختمان را به فضای ناامن برای استفاده و تردد تبدیل میکند.
معرفی انواع اتصالات در ساختمان
در صنعت ساخت و ساز از انواع اتصالات ساختمانی برای اتصال عناصر سازهای به یکدیگر استفاده میشود. انتخاب نوع اتصال به عواملی مانند مصالح مورد استفاده، بارهایی که اتصال باید تحمل کند و سطح مطلوب یکپارچگی سازه بستگی دارد. انتخاب روش اتصال مناسب در سازههای فولادی و بتنی برای برآوردن الزامات سازهای، ملاحظات اجرایی، سازگاری مصالح و انعطاف پذیری اتصال بسیار مهم است. با اتصالات مناسب، سازههای فولادی و بتنی میتوانند به طور موثر در برابر نیروهای خارجی مقاومت کنند، بارهای مورد نظر را تحمل کنند و عملکرد مناسبی در انتقال و توزیع بار نشان دهند.
در سازههای بتنی، به دلیل درجا ریخته شدن بتن و یکپارچگی سازه در محل مفصلها، روش مجزایی برای اتصال اعضا در نظر گرفته نمیشود. با این حال میتوان گفت استفاده از میلگردها در یکپارچگی مفاصل اتصالات سازه بتنی موثر است. میلگردها با همپوشانی یا با استفاده از کوپلرهای مکانیکی به هم متصل میشوند. اتصالات در سازههای بتنی بیشتر زمانی معنا پیدا میکند که از قطعات بتنی پیشساخته استفاده شود و یا نیاز به اتصال یک جزء غیر بتنی به بتن سفت شده باشد.
بستهای مکانیکی برای اتصال عناصر بتنی پیش ساخته به یکدیگر یا اتصال بتن پیش ساخته به بتن ریخته شده در محل استفاده می شوند. اتصالات مکانیکی استحکام، پایداری و یکپارچگی سازه را فراهم میکنند و در عین حال امکان جداسازی قطعات و یا تعویض آسان آنها در صورت نیاز را فراهم میکند. اتصالات چسبی نیز یکی از انواع اتصالات در ساختمان و همچنین از پرکاربردترین انواع اتصالات در سازههای بتنی هستند. استفاده از چسب یکی از بهترین روشهای اتصال انواع قطعات به بتن است.
اتصالات چسبی
با توجه به پیشرفت تکنولوژی تولید چسب و ساخت چسبهایی با ویژگیهای منحصر به فرد، استفاده از آن در صنعت ساختمان بسیار گسترش یافته و امروزه چسبها به عنوان یکی از روشهای اصلی اتصالات در سازههای بتنی و فولادی شناخته میشوند. البته روشهای اصلی اتصالات در سازههای فولادی و بتنی مانند جوش و پیچ و مهره را نمیتوان به طور کامل با اتصالات چسبی در همه کاربردها جایگزین کرد اما اتصالات چسبی در بسیاری از موارد مزایای قابل توجهی را ارائه میدهند.
چسبهایی که برای چسباندن فولاد و بتن استفاده میشوند، معمولاً رزینهای اپوکسی دو جزئی هستند. این چسبهای اپوکسی از یک رزین و یک جزء سخت کننده تشکیل شدهاند که درست قبل از استفاده با هم مخلوط میشوند. ترکیب چسب دارای زمان کارپذیری مشخصی است که در طی آن سیال میماند و میتوان آن را روی سطوح اعمال کرد. آماده سازی سطوح اتصال برای چسبندگی موفقیت آمیز چسب بسیار مهم است.
سطوح فولاد و بتن باید تمیز، خشک و عاری از هرگونه آلودگی مانند خاک، روغن، زنگ زدگی یا سایر ذرات باشند. پس از اجرای چسب، چسب نیاز به زمان دارد تا خشک شود و استحکام کامل خود را به دست آورد. زمان پخت چسب بستگی به نوع چسب مورد استفاده دارد و میتواند از چند ساعت تا چند روز متغیر باشد. در طول فرآیند پخت، دو جزئی چسب واکنش شیمیایی میدهند و چسب سخت میشود و یک پیوند قوی و بادوام ایجاد میکند.
استفاده از چسب، اتصالات با استحکام بالا را فراهم میکند که اغلب با مقاومت موادی که به هم وصل می شوند قابل مقایسه یا حتی فراتر از آنها است. به عنوان مثال، مقاومت چسبهای اپوکسی مورد استفاده برای اتصال قطعات بتنی از مقاومت خود بتن بیشتر است. البته مقاومت و استحکام چسب به عوامل مختلفی از جمله نوع چسب، آماده سازی سطح، ضخامت چسب و شرایط پخت بستگی دارد.
مزایای اتصالات چسبی
استفاده از چسب در اتصالات مزایای فراوانی دارد که در ادامه مورد بررسی قرار میگیرد:
- توزیع تنش: پیوند چسب، تنش را به طور یکنواخت در سراسر ناحیه اتصال توزیع میکند. در مقایسه با تمرکز تنش موضعی که میتواند در جوشکاری یا پیچ و مهره ایجاد شود، این روش به کاهش احتمال شکست ناشی از تمرکز تنش کمک کرده و یکپارچگی ساختاری اتصال را افزایش میدهد.
- ساختار سبک: وزن اتصالات چسبی در مقایسه با سایر روشهایی که از اجزای مختلف اتصال دهنده و قطعات فولادی استفاده میکنند به طور قابل توجهی پایینتر است.
- تطبیق پذیری و سازگاری مواد: اتصال چسب با طیف وسیعی از مواد، از جمله فلزات، بتن، پلاستیکها، کامپوزیتها، شیشه و چوب سازگار است. این ویژگی باعث میشود تا چسب در اتصال مواد غیر مشابهی که ممکن است به سختی با جوش یا سایر روشها به یکدیگر متصل شوند، به کار آید.
- مقاومت در برابر خوردگی: چسب بر خلاف مصالحی همچون فولاد که نیاز به محافظت در برابر عوامل شیمیایی دارد، ذاتاً در برابر محیطهای خورنده مقاوم است. علاوه بر این، به دلیل عدم ایجاد ترک در مواد متصل شونده، پتانسیل نفوذ عوامل شیمیایی به این مواد را نیز کاهش میدهد.
انواع اتصالات سازههای فولادی
اتصال جوشی:
جوشکاری فرایندی است که برای اتصال دو یا چند قطعه فلز به یکدیگر از طریق ذوب مواد استفاده میشود. اصل اساسی جوشکاری شامل ایجاد یک منبع حرارت موضعی است که دمای اجزای فلزی را تا نقطه ذوب آنها افزایش میدهد. پس از ذوب شدن فلزات، اغلب یک ماده پرکننده به محل اتصال اضافه میشود که با فلزات پایه مذاب ترکیب میشود و پس از سرد شدن، یک اتصال جامد را تشکیل میدهد. ماده پرکننده، که به عنوان الکترود یا سیم جوش شناخته میشود، معمولاً در الکترود جوش از یک آلیاژ فلزی مشابه یا سازگار با فلزات پایه استفاده میشود. در میان انواع اتصالات در سازه های فولادی، جوشکاری رایجترین روش است.
جوشکاری در سازه های فولادی، الزامات فنی و نکات تخصصی زیادی داشته و باید نکات فراوانی در اجرای آن مورد توجه قرار گیرد. بهتر است در ابتدا و قبل از شروع فرایند جوشکاری، برای تعیین پارامترهای جوشکاری و تکنیکهای مورد استفاده برای هر نوع جوش برنامه ریزی شود. این برنامه میتواند شامل تعیین عواملی مانند ضخامت فلز پایه، فرآیند جوشکاری، الکترود جوش و سایر موارد مورد نیز بر حسب نیاز پروژه باشد. همچنین باید از جوشکاران ماهر و باتجربه استفاده شود چرا که فرایند جوشکاری اسکلت فولادی میتواند تأثیر زیادی بر جنبههای مختلف عملکرد پروژه از جمله کیفیت، هزینه و زمان داشته باشد.
انجام اقدامات کنترل کیفیت دقیق را در سراسر فرایند جوشکاری برای اطمینان از اجرای مناسب این اتصال ضروری است. بازرسیهای بصری، آزمایشهای غیر مخرب (مانند آزمایش اولتراسونیک یا اشعه ایکس) و آزمایشهای مخرب (مانند آزمایش کشش یا خمش) برای شناسایی و رفع هرگونه نقص جوشکاری قابل استفاده هستند. همچنین تکنیک جوشکاری انتخاب شده میتواند به طور قابل توجهی بر کیفیت و استحکام جوش تأثیر بگذارد.
مزایای جوشکاری:
- اتصالات جوشی با کیفیت، استحکام و دوام بالایی دارند و برای سازههایی که نیازمند اتصال قوی و دائمی هستند مناسب است.
- جوشکاری میتواند برای طیف وسیعی از فلزات و آلیاژها و استفاده شود و انطباق و سازگاری مناسبی با بسیاری از مصالح مورد استفاده در ساختمان دارد.
- جوشکاری امکان اتصال پیوسته بین قطعات فلزی را فراهم میکند و یکپارچگی سازه و انتقال بار یکنواخت را ممکن میسازد.
- جوشکاری یک فرایند نسبتاً سریع و کارآمد برای ایجاد اتصالات در سازههای فلزی است و بهرهوری اجرای سازه را افزایش میدهد.
معایب جوشکاری:
- جوشکاری به نیروی کار ماهر و تجهیزات تخصصی مناسب نیاز دارد که میتواند به هزینه کلی پروژه اضافه کند و یا ممکن است به دلیل کمبود نیروی ماهر جوشکاری، فرایند با جوشکاران کم تجربه پیش برود.
- در صورتی که آماده سازی سطح جوش و یا عملیات پس از جوش به درستی انجام نگیرد، ایجاد اعوجاج و تنشهای پسماند در اجزای جوش شده محتمل است.
- نواقص جوشکاری مختلف مانند ایجاد تخلخل یا ترکهای جوش که ممکن است به دلیل شرایط نامناسب جوشکاری یا کنترل کیفی ناکافی رخ دهد، میتوانند یکپارچگی و استحکام اتصال را به خطر بیندازند.
- برخی از فرایندهای جوشکاری، به عوامل محیطی مانند دما یا باد حساس هستند و انجام آنها را در شرایط خاص محیطی چالش برانگیز است.
- بسته به نوع فرایند جوشکاری، مواد مصرفی و نیروی کار، جوشکاری میتواند گرانتر از روشهای اتصال جایگزین باشد.
- جوشکاری دود، گاز و تشعشعات فرابنفش تولید میکند که اگر به درستی کنترل و مراقبت نشود، میتواند برای سلامت جوشکار خطرناک باشد.
اتصالات با پیچ و مهره:
استفاده از پیچ و مهره یک روش رایج در ساخت اسکلتهای فولادی است. این روش شامل استفاده از پیچ و مهرههای با استحکام بالا برای اتصال اعضای فولادی به یکدیگر است. اتصالات پیچی یکی از اصلیترین انواع اتصالات در اسکلت فلزی بوده با این حال در سازههای بتنی نیز در اتصال قطعات پیشساخته مورد استفاده قرار میگیرند. سوراخهایی در اعضای فولادی در محل اتصالات ایجاد میشود و پیچ و مهرهها از طریق این سوراخها اتصال را به وجود میآورند. پیچ و مهره انعطاف پذیری و سهولت نصب بالایی دارد.
پیچ های مورد استفاده در اتصالات سازهای، پیچ های با استحکام بالا یا اصطلاحاً پیچ سازهای هستند. این پیچ و مهرهها از فولاد ساخته شده و به گونهای طراحی شدهاند که با تحمل بارهای زیاد، اتصالی ایمن را ایجاد کنند. در طراحی اتصالات پیچی باید عواملی مانند نوع و اندازه پیچها، تعداد و فاصله سوراخها، مقاومت پیچها و اعضای متصل شده و بارهای اعمال شده در نظر گرفته شود. پیچها در ابعاد و مقاومت مختلف برای کاربردهای متفاوت موجود هستند.
پیچها را با استفاده از اعمال گشتاور سفت میکنند. کنترل نیروی اعمالی به پیچ برای سفت کردن آن مهم است. در صورتی که برای سفت کردن پیچ، نیروی کمتر از مقدار مناسب به آن وارد شود پیچ شل میشود. همچنین اگر این نیرو زیاد باشد منجر به ایجاد تنشهای اضافی در پیچ میشود.
پیچ های مورد استفاده در سازه های فولادی باید در برابر خوردگی محافظت شوند تا عملکرد طولانی مدت خود را حفظ کنند. این را می توان از طریق روش های مختلف از جمله استفاده از پوشش های مقاوم در برابر خوردگی، مانند پوشش های گالوانیزه گرم یا پوشش های اپوکسی به دست آورد. اطمینان حاصل کنید که اقدامات حفاظتی مناسب در برابر خوردگی برای پروژه خاص و شرایط محیطی اجرا شده است.
مزایای اتصالات پیچ و مهرهای:
- نصب پیچ و مهره نسبتاً ساده است و به راحتی با ابزارهای ساده قابل اجرا است.
- اتصالات پیچ و مهرهای به تجهیزات تخصصی یا نیروی کار بسیار ماهر نیاز ندارند. همین مسئله آن را به یک روش اتصال مقرون به صرفه و کارآمد تبدیل کرده است.
- اتصالات پیچ و مهرهای، جداسازی آسان اتصالات و قابلیت استفاده مجدد قطعات را ممکن میسازند و انعطاف پذیری بیشتری را برای اصلاحات، نگهداری یا تعمیرات در آینده فراهم میکنند. این اتصالات برای پروژههایی که ممکن است نیاز به حذف، جایگزینی یا اصلاح قطعات داشته باشند، مفید است.
- بازرسی و کنترل کیفیت اتصالات پیچ و مهرهای در مقایسه با سایر روشها آسان است.
معایب اتصالات پیچ و مهرهای:
- به دلیل وجود سوراخ ها، اتصالات جوشی در مقایسه با اتصالات پیچی ممکن است ظرفیت انتقال بار کمتری داشته باشند.
- پیچ و مهرهها میتوانند به مرور زمان به دلیل ارتعاشات، بارگذاری چرخهای یا انبساط و انقباض حرارتی شل شوند.
- اتصالات پیچ و مهرهای معمولاً ضخامت بیشتری در محل اتصال نسبت به اتصالات جوشی نیاز دارند که ممکن است منجر به افزایش وزن سازه شود.
- پیچ و مهرهها در معرض خوردگی هستند. اقدامات حفاظتی مناسب در برابر خوردگی، مانند اجرای پوششهای محافظ یا گالوانیزه کردن اتصالات، برای جلوگیری از زنگزدگی و اطمینان از دوام طولانی مدت اتصال به ویژه در محیطهای خارجی یا خورنده ضروری است.
پرچ کردن:
پرچ کردن یک روش سنتی برای اتصال اجزای فولادی به یکدیگر است. این روش شامل استفاده از پرچها، که اتصال دهندههایی فلزی و استوانهای هستند، برای ایجاد یک اتصال دائمی است. پرچ های معمولاً از فولاد ساخته میشوند و در اشکال و اندازههای مختلف وجود دارند. پرچ ها در سوراخهای از پیش تعبیه شده در اعضای فولادی قرار میگیرند تا به هم متصل شوند. پرچ کاری را میتوان با استفاده از تکنیکهای مختلف از جمله پرچ گرم و پرچ سرد انجام داد.
در روش پرچ گرم، پرچ حرارت میبیند تا نسبت به حالت اولیهاش کمی نرم شده و با نیروی کمتری اتصال تشکیل گردد. این روش برای قطعات پرچ با قطر بیش از 10 میلیمتر استفاده میشود. از سوی دیگر، پرچ سرد برای قطعات کوچکتر و با اعمال نیروی بیشتر انجام میگیرد. به دلیل حذف مرحله حرارتدهی در روش پرچ سرد، این روش نسبتاً سریعتر است.
پرچ کردن دارای اهمیت تاریخی است. در ساخت سازههای فلزی مهم مانند بسیاری از پلها، ساختمانها و کشتیها از این اتصالات استفاده شده. اتصالات پرچی در طول انقلاب صنعتی به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت و نقش مهمی در توسعه مهندسی مدرن و تکنیکهای ساخت و ساز ایفا کرد. با این حال، پرچ به اندازه گذشته در ساخت و سازهای معاصر مورد استفاده قرار نمیگیرد.
مزایای اتصالات پرچی:
- اتصالات پرچ شده اتصالات با استحکام بالا با ظرفیت حمل بار عالی را فراهم میکنند. اتصال مکانیکی بین پرچ و مواد اطراف آن یک پیوند قوی ایجاد میکند که میتواند نیروهای برشی و کششی را تحمل کند.
- ماهیت دائمی اتصال پرچی، پایداری طولانی مدت اتصال را، حتی تحت بارگذاری سیکلی، ارتعاشات یا نیروهای دینامیکی تضمین میکند.
- بر خلاف جوشکاری، پرچ کردن شامل اعمال گرما به اعضای متصل شونده نمیشود. این امر احتمال اعوجاج یا تاب برداشتن اعضای فولادی ناشی از حرارت را از بین میبرد و آن را برای سازههایی که پایداری ابعادی در آنها بسیار مهم است مناسب میسازد.
معایب اتصالات پرچی:
- اتصالات پرچ شده برای دائمی بودن در نظر گرفته شدهاند که پس از نصب، جدا کردن آنها را دشوار میکند. اگر یک مفصل نیاز به جداسازی پیدا کند، محل پرچها باید سوراخ شود که میتواند زمانبر باشد و ممکن است به محل اتصال آسیب برساند.
- پرچ کردن میتواند در پروژههایی که دسترسی محدود دارد چالش برانگیز باشد. تجهیزات مورد استفاده برای پرچ کردن به فضای کافی برای مانور و اعمال نیروی لازم برای تغییر شکل مناسب پرچ نیاز دارند.
- وجود پرچها میتواند شکافها یا ترکهایی در محل اتصال به وجود آورد که به مشکلات احتمالی خوردگی شود. برای جلوگیری از زنگ زدگی و حفظ یکپارچگی اتصالات پرچ شده، باید اقدامات حفاظتی مناسب انجام شود.
- اتصالات پرچی ممکن است مانند سایر روشهای اتصال، مانند پیچ و مهره، انعطافپذیری نداشته باشد.
سخن پایانی
روشهای اتصال از گذشته تا کنون تفاوتهای بسیاری کرده و امروزه روشهای جدیدی برای اتصال انواع قطعات در ساختمان به وجود آمده است. چسبهای اپوکسی با مقاومت و دوام بسیار بالایی که از خود نشان میدهند به یکی از گزینههای پرکاربرد در اتصالات سازهای بدل شدهاند. همچنین سازگاری بالای این چسبها با انواع مصالح ساختمانی، موارد استفاده از آنها را افزایش داده است. شاید بتوان گفت بهترین روش برای اتصال سازهای دو مصالح غیر همسان به یکدیگر (مانند اتصال فلز به بتن) استفاده از چسب اپوکسی است.