اتصالات در سوله چه انواعی دارد؟

در دنیای مهندسی سازه، شاید تیر و ستون‌ها بیشترین توجه را به خود جلب کنند؛ اما واقعیت این است که اتصالات در سوله قلب تپنده آن است.

بدون اتصالات مقاوم و دقیق، حتی مستحکم‌ترین ستون‌ها و تیرها هم نمی‌توانند وزن بارهای سنگین، فشار باد، لرزش زمین یا بار برف را تحمل کنند.

اتصالات، همانند رگ‌های حیاتی، نیروها را به ‌صورت یکپارچه در کل سازه توزیع کرده و پایداری، ایمنی و طول عمر سوله را تضمین می‌کنند.

به عبارتی، اتصالات فقط وصل کردن فلز به فلز نیست؛ آن‌ها پلی هستند میان طراحی مهندسی و واقعیت اجرا.

انتخاب نوع اتصال، جنس، روش اجرا و حتی نحوه جوش یا پیچ ‌کاری می‌تواند تفاوت میان یک سوله ایمن و کارآمد با یک سازه آسیب‌ پذیر و پرخطر را رقم بزند.

در این مقاله به بررسی اتصالات در سوله، علل اهمیت آن، انواع اتصالات در سوله و نکات مهم اتصالات در سوله می‌پردازیم.

1# اتصالات در سوله چیست؟

اتصالات در سوله به معنای نحوه‌ پیوستگی و متصل کردن اجزای مختلف اسکلت فلزی سوله (ستون، پرلین و مهاربند) به یکدیگر است.

به بیان دیگر اتصال عبارت است از:

• اتصال یک ستون به فونداسیون
• اتصال تیر قاب به ستون وصل
• پیوند دو تیر یا دو عضو فولادی با هم

پس اتصال یعنی وسیله‌ای برای انتقال نیرو بین اجزای سازه به ‌گونه‌ای که رفتار کلی سوله مطابق طرح مهندسی باشد.

2# علل اهمیت اتصالات در سوله چیست؟

از جمله علل اهمیت اتصالات در سوله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• انتقال نیروها: بارهای ثقلی (وزن سقف، برف) و جانبی (باد، زلزله) باید از طریق تیر و ستون به فونداسیون برسند.
  این مسیر بارگذاری بدون اتصالات درست امکان‌ پذیر نیست.
• پایداری سازه: اتصالات نقش کلیدی در شکل ‌دهی به قاب خمشی دارند.
  مثلاً اگر اتصال تیر به ستون صلب نباشد، قاب ناپایدار می‌شود.
• ایمنی در برابر زلزله و باد: اگر اتصالات ضعیف طراحی یا اجرا شوند، حتی اگر تیر و ستون مقاوم باشند، کل سوله می‌تواند در بار جانبی تخریب شود.
• سرعت و سهولت اجرا: انتخاب نوع اتصال (پیچی یا جوشی) تعیین می‌کند که سوله و با چه سرعت و هزینه‌ای نصب می‌شود.
• اقتصاد پروژه: بخش بزرگی از هزینه سوله مربوط به ورق‌ها، پیچ‌ها و جوشکاری اتصالات است.
  یک طراحی بهینه اتصالات در سوله می‌تواند هزینه‌ها را به‌ شدت کاهش دهد.

3# انواع اتصالات در سوله

در این بخش به بررسی انواع اتصالات در سوله خواهیم پرداخت.

1-3# اتصال فلنجی

اتصال فلنجی یا End-Plate اتصالی است که در انتهای تیر یک صفحهٔ فولادی جوش داده شده و این صفحه با مجموعه‌ای از پیچ‌ها به عضو مقابل (ستون یا تیر) متصل می‌شود.

انواع رایج اتصال فلنجی عبارت اند از:

• ورق هم‌ سطح بال تیر
• ورق بزرگتر از بال

1) اجزا

• صفحه انتهایی
• پیچ‌های پرمقاومت یا پیچ معمولی و مهره – واشر
• جوش اتصال ورق به تیر (فیلِت یا نفوذی بسته به طرح)
• در صورت نیاز، ورق‌های تقویتی یا stiffener
• در حالت اتصال به ستون: فلنج ستون یا ورق تقویتی ستون

2) مسیر انتقال نیرو

لنگر و برش تیر با انتقال به صفحه انتهایی تبدیل به نیروهای محوری در گروه پیچ‌ها و نیروی برش در پیچ‌ها یا ستون می‌شود.

در اتصالات صلب، صفحه، پیچ‌ها و ستون با هم مجموعه‌ای تشکیل می‌دهند که بخشی از لنگر را تحمل می‌کنند.

نکات طراحی عبارت اند از:

• ضخامت صفحه باید در برابر خمش محلی و کشش در محل پیچ‌ها کنترل شود .
• برش یا کشش در اثر لنگر و همچنین برش ناشی از نیروی جانبی باید محاسبه شود.
• فاصلهٔ حفره‌ها از لبه، مرکز تا مرکز پیچ‌ها و تعداد پیچ‌ها به‌ گونه‌ای انتخاب شود که فشار برندگی در اطراف سوراخ از مقدار مجاز تجاوز نکند.
• نیاز به stiffener در جان تیر یا ستون برای جلوگیری از برش محلی یا کمانش جان بررسی شود.

3) اشتباهات رایج

• جوش ناکافی یا نفوذی نامنظم بین ورق و تیر سبب کاهش ظرفیت می‌شود.
• سوراخ‌های نامتقارن یا انحراف، باعث درگیری و تمرکز تنش می‌شود.
• عدم استفاده از پیچ مقاوم در محل‌های نیازمند اصطکاک یکی دیگر از اشتباهات است.

2-3# اتصال ساعتی

اصطلاح اتصال ساعتی غالباً به اتصالاتی اشاره دارد که انتهای اعضا به ‌صورت گرد یا با آرایش دایره‌ای سوراخ‌ها به هم متصل می‌شوند؛ نسخه‌ای از اتصالات قدیمی‌تر که در برخی سازه‌های صنعتی و سوله‌ها کاربرد داشته‌اند.

امروزه کمتر متداول است و جای خود را به اتصالات صفحه‌ای و فین ‌پلیت داده است.

1) اجزا

• دو نیمه انتهایی اعضا کنار هم
• صفحه فلنج یا حلقه‌ای (در برخی طرح‌ها) با الگوی دایره‌ای سوراخ
• بولت‌ها یا پین‌ها

2) مسیر انتقال نیرو

برش و نیروی محوری از طریق بولت‌ها منتقل می‌شود؛ اگر حلقه بزرگتر و صفحه ضخیم باشد، می‌تواند بخشی از لنگر را هم تحمل کند؛ اما معمولاً اتصال، مفصلی در نظر گرفته می‌شود.

3) نکات طراحی

• این نوع اتصال برای سرعت در مونتاژ و حمل‌ و نقل طراحی شده است.
• به ‌دلیل ناهمگونی در انتقال لنگر و ضعف در تقویت جان، امروزه توصیه نمی‌شود و تنها در نقاط با لنگر زیاد استفاده می‌شود.

دلایل کاهش محبوبیت و جایگزین‌ها:

• حساسیت به دقت نصب و شکل ‌پذیری پایین
• وجود جایگزین‌های بهتر

3-3# اتصال تاج سوله

تاج سوله در واقع نقطه اتصال دو رفتر (rafters) در تراز بالای دهانه است.

این اتصال باید بار سقف دو نیمه را به هم منتقل کند و در مواردی لنگر یا نیروی محوری ناشی از برف، باد و بار زنده را تحمل کند.

1) اجزا

• صفحه رأس یا ورق گاست مثلثی
• پیچ‌ها یا جوش (که در سازه‌های کارخانه‌ای ممکن است جوش شود.)
• در صورت نیاز، هاچ یا ورق قوسی برای تقویت منطقه نزدیک رأس
• محل عبور و تکیه ‌گاه پرلین‌ها یا پوشش سقف

2) مسیر انتقال نیرو

بار قائم سقف از طریق رفترها به صفحه رأس و از آن به اعضای کناری (ستون‌ها یا رفترها) منتقل می‌شود.

اگر مهاربندی سقف وجود داشته باشد، بخشی از بارهای جانبی نیز از آن مسیر عبور می‌کند.

3) نکات طراحی

• اگر اتصال لنگر منتقل کند، از end-plate با الگوی پیچ طراحی ‌شده و haunch استفاده می‌شود.
• اگر فقط انتقال نیروی محوری و قائم مدنظر است، یک cleat یا gusset ساده کفایت می‎‌کند.
• در طراحی، باید از برابری توزیع بار دو سمت مطمئن شد تا کمانش غیرمتقارن رخ ندهد.

4) اشتباهات رایج

• اتصال ضعیف در برابر باد بالا سبب باز شدن درزها می‌شود.
• عدم استفاده از haunch در صورت لزوم سبب خمش بیش از حد در رفترها می‌شود.

4-3# اتصال با ورق کششی

این نوع از اتصالات در سوله شامل ورقی است که به‌ صورت عمودی یا شبیه fin به انتهای تیر یا عضو جوش شده و سپس با پیچ به عضو مقابل متصل می‌شود؛ وقتی نیروی اصلی کششی است (مثلاً برای مهاربندهای کششی یا تسمه‌های تکیه ‌گاه)، از ورق کششی استفاده می‌کنند.

1) اجزا

• ورق قائم
• بولت‌ها، واشر و مهره
• گاهی ورق جان برای توزیع نیرو یا stiffener

اجرای کار:

• در کارخانه معمولاً صفحه جوش و سوراخ‌ها آماده می‌شوند؛ در محل فقط مونتاژ و تنش ‌دهی انجام می‌شود.
• برای اعضای کششی طویل، از turnbuckle یا سیستم قابل تنظیم به منظور اعمال پیش‌ تنش استفاده می‌شود.

2) مسیر انتقال نیرو

نیروی کششی وارد ورق شده و از طریق بولت‌ها به عضو مقابل منتقل می‌شود.

در صورت وجود برش یا لنگر، باید ورق به‌ اندازه ای ضخیم باشد که از ایجاد اثر prying جلوگیری کند.

3) نکات طراحی

• جلوگیری از prying با استفاده از ضخامت صفحه، فاصله سوراخ‌ها تا پایین ورق و فراهم کردن نقاط سخت ‌کننده امکان پذیر است.
• اگر تجهیز باید ترک‌ خوردگی ناشی از خستگی را تحمل کند، اتصالات باید جزئیات اتصال جوش یا سوراخ و لبه‌ها را به ‌دقت کنترل کنند.
• برای اتصالات کششی، معمولاً از پیچ‌های پرمقاومت و روش تنش ‌دهی استفاده شده تا مطمئن شویم بار کششی به ‌خوبی بین پیچ‌ها تقسیم می‌شود.

4) اشتباهات رایج

• صفحه نازک یا سوراخ‌های نزدیک لبه سبب شکست برشی یا خمش صفحه می‌شود.
• عدم کنترل خوردگی در نقاط کششی سبب کاهش ظرفیت می‌شود.

5-3# اتصال ستون‌ها به فونداسیون

پیچیده‌ترین نقطه اتصال در سوله که ستون را به فونداسیون بتنی متصل می‌کند.

هدف آن انتقال نیروی محوری، برشی جانبی و گاهی لنگر خمشی به فونداسیون است.

انواع متداول این نوع از اتصالات در سوله عبارت اند از:

• پایه مفصلی: فقط نیروهای محوری یا برشی را منتقل می‌کند؛ دوران مجاز است.
• پایه گیردار، صلب: لنگر را هم منتقل می‌کند؛ صفحه و گوشه‌ها تقویت می‌شوند.
• پایه نیمه ‌صلب: بین دو حالت بالا است.

1) اجزا

• صفحهٔ ستون
• انکر بولت‌ها
• واشر و مهره‌های تنظیم
• گروت زیر صفحه
• در برخی طرح‌ها، شیارهای برش یا key برای انتقال برش مستقیم به بتن

2) مسیر انتقال نیرو

• فشار محوری، صفحه، بتن
• نیروی برشی، بولت‌ها یا صفحه و یا کلکتور shear key به بتن
• لنگر، ترکیبی از نیروی محوری و برش-کشش بولت‌ها (یا انتقال مستقیم لنگر در پایه گیردار)

3) نکات طراحی

• محاسبهٔ فشار تنش زیر صفحه و مقایسه با ظرفیت فشاری بتن؛ در صورت نامتعادل بودن باربررسی توزیع فشار لازم است.
• طراحی انکربولت: کشش، برش و مقاومت بتن در اطراف باید بررسی شود.
  برای anchors شیمیایی باید مشخصات تولیدکننده لحاظ شود.
• ضخامت صفحه باید توان مقابله با خمش بین بولت‌ها را داشته باشد.
• لزوم stiffener در زیر صفحه در صورتی که صفحه بزرگ و بار متمرکز باشد.
• قالب‌ گذاری و شابلون ‌گذاری دقیق انکرها پیش از بتن ‌ریزی؛ دقت جایگذاری معمولاً چند میلیمتر است.
• در نصب ستون، ابتدا مهره‌های تنظیم استفاده می‌شود تا ستون شاقول شده، سپس مهره‌های نهایی با مقدار گشتاور مناسب بسته می‌شوند.
• گروت ‌ریزی، بعد از تنظیم شاقولی و بستن مهره‌ها، فضای زیر صفحه با گروت پر می‌شود تا بار به ‌صورت یکنواخت منتقل شود.
• حفاظت در برابر خوردگی که با استفاده از پوشش گالوانیزه یا رنگ اپوکسی برای صفحه و بولت‌ها امکان پذیر است.

4) اشتباهات رایج

• جایگذاری انکر اشتباه سبب مشکل اساسی در مونتاژ می‌شود.
• بستن مهره‌ها پیش از گروت‌ ریزی یا قبل از گیرش گروت سبب انتقال بار ناقص می‌شود.

6-3# اتصال تیر به ستون

انواع پرکاربرد اتصال تیر به ستون عبارت اند از:

• Fin-plate (Shear Tab): یک ورق عمودی کوچک جوش ‌شده به تیر و پیچ ‌شده به ستون که مناسب اتصالات مفصلی است.
• Seat Angle / Seat Plate: تیر روی نشیمن قرار می‌گیرد و بال پایین با نبشی یا ورق جان مهار می‌شود.
• End Plate: ورق انتهایی جوش شده به بال یا جان تیر و پیچ ‌شده به ستون که می‌تواند صلب یا مفصلی طراحی شود.
• Top & Seat Plates: روسری یا زیـرسـری برای اتصال صلب با انتقال لنگر؛ بال بالا و پایین تیر هرکدام ورق دارند.
• Welded Full-penetration: جوش کامل بال تیر به ستون که برای اتصالات صلب ویژه استفاده می‌شود.

1) نکات طراحی

• کنترل لنگر و تغییر شکل: محاسبه گشتاور مورد نیاز و تبدیل آن به نیروهای پیچ
• تنش محلی در ستون: بررسی لهیدگی یا برش ستون در محل اتصال و نیاز به stiffener
• اثر prying در اتصالات end-plate توجه به نیروی اضافی ایجاد شده در صفحه (که باعث افزایش لنگر روی پیچ‌ها می‌شود.)
• تقسیم نیرو میان پیچ‌ها، الگویی مناسب و فاصله‌ها برای توزیع یکنواخت

2) اجرای کار

• در کارخانه: جوش صفحه به تیر، سوراخ‌ کاری با CNC یا شابلون، رنگ یا گالوانیزه
• در محل: مونتاژ، فیت ‌آپ و تنش ‌دهی پیچ‌ها

برای اتصالات صلب، ترتیب بستن پیچ‌ها و کنترل گشتاور بسیار حیاتی است. (بستن مرحله‌ای و کنترل شده)

3) اشتباهات رایج

• تصور این که هر اتصالی با استفاده از چند پیچ بیشتر حل می‌شود.
  بدون کنترل ضخامت صفحه و پخش‌ کننده بار، اضافه کردن پیچ می‌تواند مشکل ایجاد کند.
• جایگذاری اشتباه stiffenerها یا این که در محل‌های لازم وجود نداشته باشد.

7-3# اتصال مهاربندی در سقف و طول سوله

مهارها شبکه‌ ای از اعضای کششی یا فشاری‌ هستند که برای پایداری جانبی قاب‌ها و جلوگیری از کمانش کلی عمل می‌کنند.

در سوله‌ها دو نوع مهم عبارت اند از:

• مهاربندی سقفی
• مهاربندی طولی

1) اجزا

• اعضای مهاربندی (تسمه، میله گرد یا مقطع توخالی)
• صفحات گاست برای اتصال به ستون یا تیر
• پیچ، پین یا جوش برای اتصال
• در موارد کششی turnbuckle یا اتصالات قابل تنظیم برای اعمال پیش ‌تنش

2) مسیر انتقال نیرو

باد یا نیروهای جانبی به پوشش و سپس از طریق پرلین – رفتر به نقاط مهاربندی وارد شده و در نهایت به فونداسیون منتقل می‌شوند.

مهاربندی طولی مسیرهای توزیع نیرو بین قاب‌ها را فراهم می‌کند.

3) نکات طراحی

• تعیین نوع مهاربندی X-bracing ،V/Chevron ،single diagonal یا continuous straps که بسته به معماری و عملکرد است.
• اعضای فشاری باید از نظر کمانش طولی بررسی شوند و در برخی مواقع برای فشاری از مقاطع بسته یا لوله استفاده می‌‌شود.
• محل اتصال gusset باید به صورتی طراحی شود که نیروی عضو را به صورت پرس و بدون تمرکز بیش از حد به قاب منتقل کند.

4) اشتباهات رایج

• نبود توازن مهاربندی (مثلاً مهاربندی در یک جهت و نه در جهت متقابل) سبب ایجاد پیچش می‌شود.
• اتصال گاست نازک یا تعداد پیچ ناکافی سبب برش گاست یا pull-out می‌شود.

8-3# اتصال بادبند

بادبندها اعضایی هستند که برای تحمل نیروهای جانبی (باد یا زلزله) استفاده شده و معمولاً با ورق گاست به تیر یا ستون متصل می‌شود.

1) اجزا

• بادبند (Rod, Flat, Tube, Angle)
• ورق گاست (ضخیم با سوراخ‌های برش ‌دهنده یا اسلات برای تنظیم)
• پیچ یا جوش برای اتصال گاست به عضو حامل

2) مسیر انتقال نیرو

بادبند نیرو را به گاست منتقل کرده، گاست به ستون و تیر نیرو را منتقل می‌کند و از آنجا نیرو به قاب و فونداسیون می‌رسد.

3) نکات طراحی گاست

• ضخامت گاست باید برای انتقال کشش یا فشار و محل تمرکز پیچ طراحی شود.
• طراحی سوراخ‌ها: اگر می‌خواهیم قابلیت تنظیم داشته باشیم از اسلات استفاده می‌کنیم؛ در غیر اینصورت سوراخ گرد استاندارد مناسب خواهد بود.
• در مهاربندهای فشاری، طراحی باید مانع کمانش عضوی شود.

4) اشتباهات رایج

• سوراخ‌های نامناسب یا بزرگتر از حد سبب تمرکز تنش و شل شدن می‌شود.
• عدم پوشش ضد خوردگی در گاست سبب زنگ ‌زدگی و تضعیف اتصال می‌شود.

9-3# اتصال Strap tie

tie- strap ،tie -rod یا diaphragm strap عنصری است که دو عضو را در برابر باز شدن از هم نگه می‌دارد.

در سوله معمولاً برای جلوگیری از بازشدن بال رفترها یا نگهداری فرم سقف استفاده می‌شود.

1) اجزا

• تسمه فولادی یا میله کششی
• ورق اتصال یا cleat برای بستن به عضو
• پیچ یا جوش

2) مسیر انتقال نیرو

نیروی کششی ناشی از تکانه‌های جانبی یا رانش سقف از طریق تسمه به ستون یا پایه منتقل می‌شود.

3) نکات طراحی

• ظرفیت کششی تسمه باید بیش از نیروی رانش طراحی شده باشد؛ اتصال تسمه باید به ‌صورتی باشد که گسیختگی در نقطهٔ اتصال رخ ندهد.
• در مواردی که تسمه نقش اصلی در جلوگیری از رانش دارد، باید اثر خستگی ناشی از چرخه‌های بار را هم بررسی کرد.
• استفاده از مهره‌های قفل ‌شونده یا جوش دائمی برای جلوگیری از شل شدن ضروری است.
• بازرسی دوره ‌ای برای خوردگی و شل شدگی باید انجام شود.

10-3# اتصال دو تیرآهن

وقتی طول مورد نیاز بیشتر از طول قطعات استاندارد بوده یا نیاز به افزایش ظرفیت داشته باشد، دو تیرآهن را به‌ هم متصل می‌کنند.

این اتصال می‌تواند برای انتقال برش یا برای انتقال لنگر با حفظ پیوستگی خمشی طراحی شود.

انواع وصله عبارت اند از:

• بال فوقانی و تحتانی: صفحات روی بال‌ها بسته می‌شوند.
• Flush End-plate Splice: دو تیر با end-plate به ‌هم پیچ می‌شوند.
• Butt Weld Splice: دو انتهای تیر مستقیم جوش می‌شوند. (نیاز به دستیابی به استانداردهای جوش بالا)
• Web Splice: وصله جان برای عبور برش استفاده می‌شود.

1) نکات طراحی

• تعیین محل وصله: معمولاً در نقاطی که لنگر یا برش کم است؛ مثلاً نقاطی که برش و لنگر مجاور بهترین شرایط را دارند تا ساده ‌ترین وصله کفایت کند.
• طراحی ضخامت و عرض صفحه وصله: بر اساس برش – فلو (shear flow) و تعداد یا قطر پیچ‌ها که بر اساس انتقال نیرو تعیین می‌شود.

کنترل نامیزانی (eccentricity) و اطمینان از هم‌ خطی بال‌ها و جان نیز دارای اهمیت است.

استفاده از جیک‌ها و تکیه‌ گاه‌های موقت برای تنظیم تراز و امتداد قبل از بستن نهایی مهم است.

برای وصله فلنج، بستن پیچ‌ها به ترتیب و آزمون گشتاور امری قابل توجه خواهد بود.

2) خطاها و کنترل

• سوراخ‌های زیاد نزدیک به هم باعث کاهش مقاومت می‌شوند.
• عدم هم‌ محوری منجر به خمش اضافی می‌شود.
• بررسی هم‌ خطی، پیچ‌ها و جوش‌ها و همچنین تست NDT در صورت نیاز باید انجام شود.

4# نکات مهم طراحی اتصالات در سوله

از جمله نکات مهم اتصالات در سوله عبارت اند از:

• طراحی بر اساس آیین ‌نامه‌ها: یکی از مهم‌ترین اصول در طراحی اتصالات سوله، رعایت آیین ‌نامه‌های معتبر بین ‌المللی است.
  آیین ‌نامه‌ها مانند AISC و Eurocode (سری آیین‌ نامه‌های اروپایی برای سازه‌های فولادی) مشخص می‌کنند که:
  • هر نوع اتصال چه بارهایی را باید تحمل کند.
  • ضخامت ورق‌ها، تعداد پیچ‌ها یا ابعاد جوش چگونه باشد.
  • حداقل و حداکثر نیروهای مجاز در اتصال چقدر است.
• صلب یا مفصلی بودن اتصال: اتصالات در سوله بر اساس نوع انتقال نیرو به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
• اتصال صلب: توانایی انتقال لنگر، نیروی محوری و برش را دارد.
  معمولاً در قاب‌های خمشی فولادی استفاده می‌شود تا سازه بتواند در برابر بارهای جانبی مثل باد یا زلزله مقاوم باشد.
• اتصال مفصلی: فقط نیروهای برشی و محوری را منتقل می‌کند؛ اما لنگر را تحمل نمی‌کند.
  این نوع اتصال معمولاً برای ساده ‌سازی تحلیل سازه و کاهش هزینه استفاده می‌شود.
• کیفیت اجرا: حتی بهترین طراحی، اگر اجرای ضعیف داشته باشد، می‌تواند منجر به شکست سازه شود.
  کیفیت اجرا شامل موارد زیر است:
  • جوش باید مطابق استاندارد و عاری از ترک، حباب یا نقص‌های جوشکاری باشد.
  • پیچ‌ها باید به صورت صحیح نصب و سفت شوند و از نوع با مقاومت مناسب باشند.
  • ضخامت و نحوه نصب ورق‌های تقویتی باید دقیق باشد تا بارها به درستی منتقل شوند.