آشنایی با ضوابط جوشکاری ساختمان اسکلت فلزی (1)

دوان میلر، مدیر بخش مهندسی شرکت لینکلن الکتریک، از متخصصان معروف در زمینه دانش جوشکاری ساختمان است. میلر تحصیلات دوره لیسانس خود را در رشته مهندسی جوش و دوره فوق لیسانس را در رشته مهندسی مواد به اتمام رسانده و در سال 1997 به کسب درجه دکترای افتخاری علوم نائل گردید. دکتر میلر از متخصصان خوشنام در زمینه طراحی و اجرای اتصالات جوشی هستند که مدال ها و جوایز معتبری را در طول عمر خود کسب کرده اند. مطلبی که در پیش رو دارید بر اساس سخنرانی دکتر میلر در کنفرانس سال 2015 سازندگان ساختمان های فلزی آمریکای شمالی و تحت عنوان “اتصالات جوشی، خوب، بد و زشت” تنظیم شده است. این مطلب شامل 14 اصل در رابطه با جوشکاری ساختمان بوده که در دو بخش خدمت شما مخاطبان گروه مهندسی فراعمران تقدیم می شود.

پیشنهاد مطالعه : بخش دوم ضوابط جوشکاری ساختمانهای اسلت فلزی

رعایت چه نکاتی منجر به یک اتصال جوشکاری خوب می شود ؟ در جوشکاری ساختمان اصول بسیاری وجود دارند که باید برای رسیدن به جوش های با طراحی قوی تر، کارامدتر و تحت تنش کمتر، به آنها توجه نمود. در بخش نخست از این نوشتار دو بخشی به هفت مورد از این اصول پرداخته می شود.

توجه : برای دانلود نشریه 228 آیین نامه جوشکاری ساختمان در ایران اینجا کلیک کنید.

اصل اول : یک اتصال جوشی خوب، قادر است همه بارهای اعمال شده را از طریق اتصال، به صورت کارآمد منتقل نماید.

اگر اتصال به اندازه کافی قوی نباشد، جنبه های دیگر آن، حقیقتا اهمیتی نخواهد داشت. جوشی که قطعات مختلف فولادی را به یکدیگر متصل می کند، باید از نظر اندازه و جنس به گونه ای باشد که مقاومت کافی را بسته به کاربرد مورد نظر دارا باشد. همیشه قرار نیست که جوش ها مقاومت قطعات متصل شده را افزایش دهند. اما همیشه این انتظار می رود که جوش بتواند بارهای وارد شده را از طریق اتصال منتقل کند.

برای انتخاب اندازه مناسب یک جوش در جوشکاری ساختمان باید مشخص شود که چه نیروهایی توسط اتصال منتقل می گردد. این امر در مورد اتصالات عرضی نسبتا ساده است، ولی در اتصالات طولی، شناسایی این مسئله چندان ساده نیست. شکل های 1 تا 4 را با چهار جوش طولی در نظر بگیرید،قطعات جوش داده شده در این تصاویر مشابه همدیگر هستند ولی بارهای منتقل شده از اتصالات به طور قابل توجهی با هم تفاوت دارند. در شکل 1 فرض می شود که اتصال به شکل قوطی به عنوان یک آویز عمل کرده و نیروهای کششی به صورت یکنواخت در تمام مقطع توزین شده اند. همان مقطع در شکل 2 می تواند به عنوان ستون تحت بار فشاری قرار گیرد. مطابق AISC 360 برای این گونه اتصالات که تنها تحت کشش یا فشار به موازات جوش هستند، نیازی نیست که روی جوش در طراحی حساب جداگانه ای شود. جوش در این اتصالات، نقش نگهدارنده قطعات را در کنار هم دارد و بار خاصی از طریق اتصال جوشی منتقل نمی شود. از آنجا که بیشترین تنش هایی که این جوش ها باید بتوانند منتقل کنند، از جابجایی و کار گذاشتن قطعات نشئت می گیرد، استفاده از جوش شیاری تمام نفوذی در این وضعیت ها توجیهی ندارد.

در شکل 3 همان قطعه مونتاژ شده قبلی، به عنوان یک تیر در معرض خمش قرار گرفته است. بار منتقل شده بین قطعات جان و بال، از نوع نیروی برشی (طولی) بوده و آنچه این میان بحرانی است، برش در سطح مقطع موثر می باشد. در این حالت به علت اینکه مقدار تنش برشی بین بال و جان، نوعا کم است می توان از یک اتصال نیمه نفوذی (حتی به صورت متناوب) استفاده نمود.

شکل 4 اتصالی را نشان می دهد که در آن از همان آرایش قطعات استفاده شده است، با این تفاوت که در اینجا همه نیروهای کششی از طریق اتصالات جوشی منتقل می شود. این وضعیت از لحاظ چگونگی آرایش بار، در مقایسه با آنچه در شکل های 1 تا 3 مشاهده می شود تفاوت زیادی دارد، اما جزئیات جوش شیاری با نفوذ کامل، یکسان است. در این حالت می توان با توجه به در نظر گرفتن میزان بار و طول اتصال از جوش شیاری با نفوذ کامل استفاده نمود. هنگامی می توان به یک اتصال جوشی مناسب دست یافت که بار منتقل شده از طریق جوش در طراحی لحاظ شده باشد.

شکل 1 (سمت راست) و شکل 2 (سمت چپ)

شکل 3

شکل 4

می توان گفت که اصل اول در داشتن یک اتصال جوشی خوب در جوشکاری ساختمان اسکلت فلزی، بهینه بودن آن است. جوش هایی که اندازه آنها از حد نیاز بیشتر است، بهینه نیستند. بهینه نبودن یک اتصال فقط پیامد اقتصادی به همراه ندارد بلکه وقتی یک اتصال جوشی بیش از اندازه جوش داده شود، باعث ایجاد تنش پسماند، پیچیدگی و حتی افزایش احتمال ایجاد ترک و پارگی در اتصال می گردد. بنابراین برای سه اتصال اول مثال فوق، استفاده از جوش کاملا نفوذی توصیه نمی گردد.

پیشنهاد مطالعه : بخش دوم ضوابط جوشکاری ساختمانهای اسلت فلزی

اصل دوم : یک اتصال جوشی خوب دارای مسیر انتقال بار آشکار و مستقیم است.

تنش های موجود در عضو باید از یک عضو به وسیله جوش به عضو دیگر اتصال، جریان یابد. یک اتصال جوشی در جوشکاری ساختمان زمانی مناسب است که این مسیر انتقال بار، واضح و مستقیم باشد. در شکل 5 بار عمودی از قلاب به وسیله جوش به بال و از طریق بال به جان وارد می شود، بار وارده به جوش یکنواخت بوده و مسیر انتقال بار واضح و مستقیم است. در مقابل در شکل 6، بار از قلاب به وسیله جوش به بال انتقال می یابد ولی بال انعطاف پذیر است. بار در یک مرحله به جان انتقال می یابد، ولی جوش در امتداد طول خود به صورت یکنواخت بارگذاری نشده است. یک جفت سخت کننده به کار رفته در شکل 7، این مشکل را اصلاح می کند، به این صورت مسیر انتقال بار (از قلاب به جوش، از جوش به بال، از بال سخت شده به سخت کننده ها و نهایتا به جان) واضح می باشد.

شکل 5

شکل 6

شکل 7

اصل سوم : یک اتصال جوشی خوب، جوش را در منطقه کم تنش تر قرار می دهد.

چنانچه عملی و ممکن باشد، موقعیت جوش ها در جوشکاری ساختمان فلزی باید در نواحی کم تنش قرار بگیرد. با محقق شدن این امر، جوش ها کمتر در معرض شرایط بحرانی خواهند بود. همچنین از آنجا که این کار موجب کوچکتر شدن اندازه جوش ها می گردد، به لحاظ اقتصادی نیز شایان توجه است.

به طور مثال، نواحی اتصال شاه تیرهای سراسری می تواند در نقاط عطف امتداد طولی عضو قرار گیرد. برای سازه های با بارگذاری سیکلی، جزئیات اتصال در انتهای ورق های پوششی متشکل از یک ناحیه کم تنش می باشد، ادامه دادن ورق های پوششی متشکل از یک ناحیه کم تنش می باشد، ادامه دادن ورق های پوششی تا منطقه با تنش کمتر می تواند جزئیات اتصال را قابل قبول نماید.

شکل 8 مثال دیگری را نشان می دهد که در آن، قطعه ضخیم تر (که احتمالا عضوی با بارگذاری سنگین تر است) ناپیوسته بوده و برای انتقال بار در اتصال، اندازه جوش بیشتری مورد نیاز است ولی در شکل 9 عضو نازکتر ناپیوسته بوده و این امکان را می دهد که با اندازه جوش کمتر، انتقال بار محقق شود.

شکل 8

شکل 9

اصل چهارم : یک جوش خوب نباید باعث ایجاد تمرکز تنش گردد.

برخی جوش ها در جوشکاری ساختمان اسکلت فلزی و جزئیات اتصالات جوشی ممکن است باعث ایجاد تمرکز تنش گردند. به عنوان مثال، وجود پشت بند فولادی (اگر در کار باقی بماند) می تواند باعث تمرکز تنش شود. برای اتصال T نمایش داده شده در شکل 10 یک جوش شیاری با نفوذ کامل را در نظر بگیرید. وجود پشت بند در اتصال T می تواند باعث ایجاد تمرکز تنش در محل اتصال لبه پشت بند و عضو عمودی گردد. برای حذف این تمرکز تنش آیین نامه AISC پیشنهاد برداشتن پشت بند را در چنین اتصالاتی داده است. درز نوک به نوک شکل 11 را در نظر بگیرید. در اینجا با وجود عدم آمیختگی کامل بین سطح پشتی قطعات و سطح بالایی پشت بند فولادی، از آنجا که این سطح مشترک با تنش های وارده موازی می باشد، باعث ایجاد تمرکز تنش نگردیده است.

شکل 10

شکل 11

همچین وجود پشت بندهای فولادی ناپیوسته ممکن است موجب بروز تمرکز تنش (مانند شکل 12) گردد. فصل مشترک ناآمیخته بین قطعات پشت بند، موجب بروز ناپیوستگی صفحه ای گردیده است. چنانچه مقطع قوطی تحت بارگذاری خمشی قرار گیرد، تنش های کششی پدید آمده در سطح مشترک قطعات پشت بند به طور موضعی تشدید می گردد. جهت کاهش مشکلات ناشی از ناپیوستگی پشت بند در اینگونه اتصالات، می توان قطعات پشت بند را قبل از قرار دادن در محل اتصال جوش در جوشکاری ساختمان به یکدیگر به صورت نفوذ کامل جوش داد. همچنین چنانچه از پشت بند سراسری پیوسته استفاده شود مسئله به کلی حل خواهد شد.

شکل 12

اصل پنجم : یک اتصال جوشی خوب نباید محصور شده باشد.

وقتی اتصالی جوشکاری می شود، انتظار می رود که فلز جوش داغ و منبسط شده و فلز پایه داغ پیرامونی جوش، در حین سرد شدن منقبض گردند. در حین سرد شدن و انقباض فلز جوش، ناحیه خنک تر (و منبسط نشده) فلز پایه در مقابل تنش های کششی که از طرف فلز جوش، تحمیل می شود، مقاومت نشان می دهد. این مقاومت فلز پایه در برابر تنش های تحمیلی، موجب بروز تنش های کششی در فلز جوش و نهایتا تسلیم آن می شود. تسلیم شدگی تا جایی ادامه می یابد که تنش های انقباضی تحمیلی توسط جوش، به وسیله فلز پایه پیرامونی تحمل گردد. بنابراین با برابر شدن تنش های پسماند در جوش و تنش های ایجاد شده در فلز پایه) تعادل برقرار می شود. آنچه به جای می ماند، مقادیری تنش پسماند در جوش است که تقریبا مساوی حد تسلیم فلزات درگیر در اطراف آن ناحیه می باشد.

اگر اعضای متصل شونده بتوانند آزادانه حرکت یا انعطاف لازم را نشان دهند، تنش پسماند با این جابجایی تقلیل خواهد یافت. وقتی اعضا صلب و غیرقابل حرکت باشند، تنش پسماند افزایش می یابد. در جوشکاری اعضا تحت قید و بند زیاد، معمولا فلز جوش یا فلز پایه انعطاف پذیر به جای تسلیم شدن دچار ترک می شوند.

تنش های پسماند سه بعدی از همه آسیب زننده تر بوده و می توانند باعث ترک خوردگی فولاد انعطاف پذیر یا فلز جوش شوند. تخصیص فضای دسترسی مناسب و در جهات مختلف به پیشگیری از تشکیل چنین تنش هایی در مقطع جوش کمک می کند.

اصل ششم : یک اتصال جوشی خوب، جوش را در معرض خمش قرار نمی دهد.

برای فهم مطالب ابتدا باید بفهمیم که این اصل شامل چه مواردی نمی باشد ! مسلما ساخت تیر ورق با استفاده از جوش های در راستای طولی و تحت خمش قرار دادن تیر امری قابل پذیرش است. اصل 6 طراحان را از بارگذاری که موجب خمش جوش حول محور طولی آن بشود منع می کند (همان طور که در شکل 13 نشان داده شده است) چنین بارگذاری ای کرنش ها را در ریشه و پنجه جوش متمرکز می نماید. برای جلوگیری از این خمش می توان مانند شکل 14 از سخت کننده استفاده نمود، یا مانند شکل 15 جهت گیری را به نحوی تغییر داد که جوش تحت بارگذاری برشی قرار گیرد.

شکل 13

شکل 14

شکل 15

شکل 16

شکل 17

اصل هفتم : یک اتصال جوشی خوب از لبه و ریشه جوش محافظت می کند.

لبه جوش و ریشه در جوشکاری ساختمان می توانند باعث ایجاد تمرکز تنش گردند و یک اتصال جوشی مناسب، از این نواحی آسیب پذیر محافظت می کند. در شکل 18 ریشه جوش نیمه نفوذی یک طرفه در بارگذاری کششی، بدون حفاظت مانده است. در شکل 19 جوش نیمه نفوذی دو طرفه در بارگذاری های استاتیکی از حفاظت کافی برخوردار است، ولی در اتصالات تحت بارگذاری سیکلی، سرانجام گسیختگی اتصال با جوش دو طرفه از ریشه جوش آغاز خواهد شد.

علاوه بر تمرکز تنش ایجاد شده توسط ریشه جوش در جوشکاری ساختمان، لبه جوش نیز می تواند باعث تمرکز تنش گردد. گرچه، سطح مشکلات آن به شدت موارد ناشی از ریشه جوش نمی باشد. در کاربردهای حساس به خستگی، حذف تقویت جوش های شیاری با نفوذ کامل عرضی، مقاومت در برابر خستگی را از رده C به رده B افزایش می دهد. ترک های ناشی از خستگی در جوش پنجه پشت بندهای عرضی انتهای صفحات پوششی آغاز می گردد. همچنین ناپیوستگی های جوشی متنوعی مانند ترک های undercut، overlap، underbead در پنجه جوش متمرکز می شوند.

بنابراین دلایل می بایست دقت ویژه ای به نحوه طراحی و اجرای ریشه و لبه جوش در جوشکاری ساختمان شود. جزئیات اتصالات جوشی باید به منظور اطمینان از اینکه لبه و ریشه مشکل ساز نخواهد شد، مورد آزمایش قرار گیرد. اصل 7 و 4 ارتباط تنگاتنگی با هم داشته و باید به خاطر بسپاریم که تمرکز تنش تنها وقتی اهمیت دارد که نیرو (یا مولفه ای از آن) به صورت عمود بر مقطع مورد نظر وارد شده باشد. ریشه و لبه جوش های طولی روی تیر ورق های تحت بارگذاری خمشی، دچار تمرکز تنش در محل این ناپیوستگی های هندسی نمی شوند.

پیشنهاد مطالعه : بخش دوم ضوابط جوشکاری ساختمانهای اسلت فلزی

منبع : مجله Modern Steel Construction شماره اوت سال 2015

نویسنده : دوان میلر (Duane K. Miller)