■ جوش و جوشکاری اعضاءاسکلت فولادی بخش عمران

جوش و جوشکاری اعضاءاسکلت فولادی
(Weld & welding the member of steel structure)

نگارش:
داودمحمودزاده(دانشجوی رشته مهندسی عمران , عضو باشگاه پژوهشگران جوان)
مقدمه:
هرساختمانی ترکیبی از اعضای جدا از هم است که باید به طریق مناسبی به یکدیگر متصل شوند.اتصالات در ساختمان های فولادی شامل اتصال تیربه ستون و ستون به فنداسیون و اتصال سایر اجزای اسکلت فولادی به یکدیگر است .برای انجام این اتصالات نیاز به وسایل اتصال داریم ,که این وسایل اتصال می تواند پرچ,پیچ وجوش را شامل شوند.

1-1-پرچ(Rivet):از قدیمی ترین وسایلی است که از ان برای اتصال اعضای سازه ی فولادی استفاده می شود.بطور کلی هر پرچ از دو قسمت به هم پیوسته تشکیل شده است:
1-کلاهک
2-تنه استوانه ای شکل

1-1-1-عوامل از رونق افتادن پرچ:1-پیشرفت فن جوشکاری 2-تولید پیچ های با مقاومت بالا
3-نیاز به نظارت و کنترل دقیق
4-خطر اتش سوزی در کارگاه.
1-2-پیچ:اجزاء یک پیچ عبارت است:سرپیچ,تنه ی پیچ,واشر و مهره.
1-2-1- انواع پیچ ها از نظر جنس:
1- پیچ های معمولی
2- پیچ های دقیق
3- پیچ های با مقاومت بالا
1-3-جوشکاری(welding):اتصال اعضای سازه به کمک حرارت و ذوب شدن موضعی و یکپارچه کردن مصالح به یکدیگر را جوشکاری می نامند.
1-4-انواع جوشکاری:
جوشکاری با گاز
جوشکاری با قوس الکتریکی
1-5-فرآیندهای متداول جوشکاری سازه های فلزی:
از میان فرآیندهای جوشکاری ، چهار فرآیند جوشکاری قوسی که برای جوشکاری سازه های فلزی ساختمان های
مسکونی و صنعتی متداول است ، انتخاب شده است که عبارتند از :
جوشکاری قوسی فلزی با الکترود روپوش دار ( SMAW )
جوشکاری قوسی فلزی تحت پوشش گاز محافظ با الکترود مصرفی ( GMAW )
جوشکاری قوسی فلزی تحت پوشش گاز محافظ با الکترود تنگستنی ( GTAW )
جوشکاری قوسی زیر پودری ( SAW )
1-5-1- شدت جریان(A):
وقتی قوس برقرار می شود و جوشکاری آغاز می شود ، مقدار آمپری که از مدار جوشکاری عبور می کند به شدت جریان جوشکاری موسوم است. جریان برق متناسب با قطر الکترود مصرفی روی ماشین جوشکاری میزان می شود. هر چه قطر الکترود بیشتر باشد ، جریان مصرفی بیشتر است. همیشه به میزان آمپری که سازنده الکترود توصیه کرده است توجه کرده ولی اگر جدول آمپر در دسترس نباشد می توان از قاعده ی کلی زیر استفاده کرد :
مقدار آمپر جوشکاری برابر است با قطر الکترود ضربدر عدد 35 یا 40 البته مقادیر 35 و 40 بصورت تجربی می باشد


باید توجه داشت که حداقل های جوشکاری , طبق ایین نامه جوشکاری ایران عبارتنداز:
حداقل بعد جوش برای جوشکاری های گوشه 6میلیمتر می باشد.
فاصله نوک الکترود ازسطح فلز پایه برابر است با ضخامت قطر الکترود.
در هر نوار جوش که طول ان 100میلیمتر است نباید بیش از دو توده که طول انها بیش از دو میلیمتر باشد وجود داشته باشد.
1-5-2- ایرادات شایع درجوشکاری در پروژه ها:
در هنگام جوشکاری,جوشکاران ابعاد و اندازه های جوشکاری را رعایت نمیکنند این نقیصه بیشتر در مورد بعد جوش ها قابل مشاهده است .
در هنگام جوشکاری,جوشکاران بدلیل رعایت نکردن فاصله نوک الکترود از سطح فلز پایه سبب ایجاد قوس بلند می شوند که در این حالت فلز پایه ذوب می شود.
در بعضی مواردجوشکاران بعد از اتمام یک پاس جوش وقتی که می خواهند پاس بعدی را شروع کنند بدون اینکه گل جوش انتهای پاس اول را پاک کنند پاس دوم را از روی گل پاس اول شروع می کنند.
در هنگام جوشکاری,جوشکاران برای ایجاد قوس نوک الکترود را بر روی فلز پایه می کشند که در این حالت ان قسمت از فلز پایه ترد می شود که اصطلاحا می گویند فلز اب خود را از دست داده است.
1-6-الکترود:عبارت است از یک مفتول فلزی که ممکن است به صورت روکش دار و یا بدون روکش باشد.
1-6-1- برخی از وظایف مهم روکش الکترود:
ایجاد سپر گازی و تثبیت قوس الکتریکی .
بهبود ساختار جوش با ورود احیا کننده ها به فلز جوش .
ایجادروکش(گل)روی حوضچه ی مذاب در برابر اکسیژن و نیتروژن هوا وجلو گیری از سردشدن سریع جوش.
1-6-2- تقسیم بندی الکترودها بر اساس نوع پوشش آنها :
از حدود 1950 میلادی ، الکترودها را در انگلستان ، بر اساس جنس پوشش آنها طبقه بندی می نمودند ، که این تقسیم بندی درنوع خودمؤثر وتا امروز در بعضی صنایع کاربرد دارد. الکترودها براساس پوشش آنها به چندگروه تقسیم می شوند.

1-6-3- انواع الکترود:
کلاس اول : سلولزی ( Cellulose Type ) کلاس دوم : بازی یا قلیایی ( Basic Type )
کلاس سوم : پوشش های اسیدی ( Acidic Type) کلاس چهارم : پوشش های اکسیدی (Oxide Type)
کلاس پنجم و ششم : پوشش های رتیلی یا اکسید تیتانیوم ( Retile “ Acid “ Type )
1-6-4- برخی از ایرادات کارگاهی در هنگام استفاده از الکترود:
جوشکاران در هنگام استفاده از الکترود به ویژه در هنگام استفاده از الکترود های روکشدار برای سهولت کار خود,الکترود را تقریبا از وسط ان خم می کنند .این عمل سبب می شود که بر اثر ایجاد تنش کششی در سطح روکش,قسمتی از روکش بریزد ,که در این صورت وقتی که الکترود در هنگام ذوب شدن به ان قسمت برسد جوش ضعیفی بدست می ایدو گل جوش در ان نقطه یا وجود ندارد یا بسیار کم است که در نهایت سبب ایجاد ترک گرم یا ترک مویی می شود.
از دیگر ایرادات مربوط به الکترودها عدم نگهداری صحیح ان می باشد چه در هنگام انبار کردن و چه در هنگام مصرف در محل کارگاه.
1-7- معیارهای پذیرش عیوب مطابق استاندارد AWS D 1.1 عبارتند از :
کیفیت جوش تحت بار استاتیکی :
جوش ترک نداشته باشد.
ذوب کامل بین فلز جوش و فلز پایه و شیار بین لایه ها حاصل شده باشد.
چاله جوش ها پر شده باشد.
بریدگی کنار جوش طبق این شرایط قابل قبول است :
- ضخامت ورق کمتر از 4/25 میلیمتر,بریدگی نباید بیشتر از یک میلیمتر باشد. در 50میلمتر از305میلیمتر طول جوش,حداکثر مقدار بریدگی لبه ی جوش می تواند 6/1میلیمتر باشد.
- درضخامت های ورقهای بیشتر از 4/25میلیمترعمق گودی نباید از 6/1 میلیمتر برای هرطول جوش افزایش یابد.
مجموع قطر حفره های قابل قبول,رویت یک میلیمتر یا بزرگتر بر روی سطح جوش در4/25 میلیمترطول جوش,نباید از 10 میلیمترتجاوز کند ، مجموع قطرها نباید در هر 305 میلیمترطول جوش از 19 میلیمتربیشتر باشد.
اندازه ی جوش گلویی چنانچه در مجموع طول یک جوش از ده درصد آن تجاوز نکند ، می تواند به میزان
6/1میلیمتر از اندازه ی واقعی آن کمتر باشد. در جوش های جان و بال تیرها در دو طرف تیر طول معادل، نباید کمتر از دو برابر پهنای آن باشد.
1-8-کیفیت جوش تحت بار دینامیکی :
جوش ترک نداشته باشد.
ذوب کامل بین فلز جوش و فلز پایه و شیار بین لایه ها حاصل شده باشد.
کلیه ی فرورفتگی های سطح مقطع جوش باید به طور کامل پر شوند ، مگر برای انتهای جوش های گوشه منقطع,که بیشتر از طول مؤثر جوشکاری شده اند.
عمق فرورفتگی جوش دراعضا ابتدایی که جوش عمود بر تنش های برشی و زیر هر بارطراحی قرار می گیرند، نباید از 25/0 میلیمتر تجاوز کند. برای حالات دیگر سقف مجاز یک میلیمتر است.
در هر 100میلیمتر از طول جوش گوشه نباید بیش از یک مجموع تخلخل وجود داشته باشد و ماکزیمم قطر آن نباید از دو میلیمتر تجاوز کند.
1-9-بازرسی بعد از جوشکاری :
اهم آزمایشات و بازرسی ها بعد از اتمام جوشکاری به منظور :
ارزیابی خواص و کیفیت اتصال جوش داده شده.
ارزیابی مناسب بودن سازه ی جوش داده شده برای هدف تعیین شده ، انجام می گیرد.
آزمایشات و بازرسی های اتصال جوش داده شده را می توان به دو گروه اصلی زیر تقسیم کرد که عبارتند از :
آزمایشات مخرب
آزمایشات غیر مخرب
معایب اصلی جوش عبارتنداز:
الف)نفوذ ناقص
ب)امتزاج ناقص
ج)بریدگی کنار نوار جوش
د)اختلاط سرباره گل
ه)تخلخل
و)ترک
ز)معایب ابعادی جوش
ح)شکنندگی جوش
1-9-1- آزمایشات غیر مخرب بر روی جوش :
1- بازرسی چشمی ( Visual Inspection ) 2- آزمایش نفوذ ( Leak Test )
3- بازرسی به کمک مایعات نافذ ( PT ) 4- آزمایش صدا ( Stethoscope Test )
5- بازرسی با ذرات مغناطیسی( Magnetic Particle Inspection ) 6- رادیوگرافی(Radiographic Inspection)
7-آزمایش با امواج صوتی یا رادیویی ( Ultrasonic Testing )
1-10- اعضاءاسکلت فولادی:
1-10-1- ستون(Column)
1-10-1-1- شکل ظاهری ستون ها:
اتصال دوپروفیل به یکدیگر به طریقه دوبله کردن. 2- اتصال دو روفیل با یک ورق سرتاسری روی بال ها.
اتصال دو پروفیل با قید های موازی و یا مورب(ستون مشبک).
1-10-1-2- بررسی اندازه جوش ها در هر مورد از,شکل ظاهری ستون ها:
1-اتصال دوبل:1-حداکثرفاصله بین طول های جوش درطول ستون به صورت غیرممتد نباید از cm30 تجاوز کند.
طول جوش ابتدایی و انتهایی ستون باید برابر با بزرگترین عرض مقطع باشد و به طور یکسره انجام گیرد .
طول موثر هر قطعه از جوش منقطع نباید از 4برابر بعد جوش یا mm40 کمتر باشد .
تماس میان بدنه دوپروفیل نبایدازیک شکاف mm5/1تجاوز کند.اگراین شکاف(بادخور)از mm5/1بیشتر٬اما از mm6 کمتر باشد و بررسی های فنی نیز نشان دهد که مساحت کافی برای تماس وجود ندارد ٬در ان صورت٬این باد خور باید با مصالح پر کننده مناسب شامل تیغه های فولادی با ضخامت ثابت پرمی شود .
2- اتصال با ورق سرتاسری: در مقاطع مرکبی که ورق اتصال بر روی دو نیمرخ متصل می شود تا مقطع مرکب تشکیل بدهد ٬فاصله ی جوش های منقطع (غیر ممتد)که ورق را به نیمرخ ها متصل می کنند٬نباید از cm30بیشتر شود.حداکثر فاصله فوق الذکر در مورد فولاد معمولی 22 برابر ضخامت ورق می باشد .
3- اتصال با قید های موازی و مورب :
الف) حداقل ابعاد بست یا تسمه ی افقی ستون باید به این صورت باشد:
1- طول وصله٬حداقل به فاصله ی مرکز تا مرکز دو نیم رخ باشد.
2- ضخامت تسمه از 1/40 طول ان کمتر نباشد. ب)در اطراف کلیه تسمه هاو در سطح تماس با بال نیم رخ ها عمل جوشکاری انجام گیرد(مجموع طول خط جوش در هر طرف صفحه نباید از طول صفحه کمتر شود ).
ج)در قسمت انتهایی ستون باید حتما از ورقی با طول حداقل برابر با عرض ستون استفاده کرد تاعلاوه برتقویت پایه٬محل مناسبی برای اتصال بادبندها ی فلزی به ستون به وجوداید.
د)در محل اتصال تیر به ستون لازم است قبلا ورق تقویتی به ابعاد کافی روی بال های ستون جوش شده باشد.
1-10-1-3- وصله ستون ها:
محل مناسب برای وصله ی ستون ها به هنگام طویل کردن ان ها نباید از کوچکترین مقادیر 1/4 ارتفاع محور به محور طبقه و یا cm90به بال نیز نزدیک تر باشد .این ارتفاع کمترین اندازه ای است که از نظر دسترسی به محل اجرای جوش و نصب اتصالات مورد نیاز برای ادامه ستون یا اتصال بادبند لازم است .
1-10-1-4- برخی از ایرادات اجرایی ستون ها و وصله ستون ها درمحل کارگاه:
ازجمله ایرادات شایع درکارگاه ها در هنگام اجرای ستونها عدم دقت وتوجه کافی نسبت به جفت کردن تیراهن ها مخصوصا درحالت دوبل می باشد,این ایراد معمولا به صورت بالاوپاپین بودن لبه های دوتیراهن نسبت به هم مشاهده می شود.
در صورت وجود ایراد فوق,درصورتی که در روی بال ها از ورق سرتاسری استفاده شود این ورق ها در هنگام جوشکاری انتهایی ان بدلیل وجود فاصله زیاد در قسمت وسط انتهای ان عموما از ,بعد جوش کافی برخوردار نمی باشد و همچنین به علت ایجاد قوس بلند قسمتی از لبه ورق ذوب می شود.
بعضی اقات در هنگام ایجاد وصله برای طویل کردن ستون,محل وصله در محل مقطع بحرانی اتفاق می افتد و در بعضی موارد ابعاد و جوش این ورق ها برای وصله کافی نمی باشد.
1-10-2- تیر(Beam) :
1-10-2-1- شکل ظاهری تیر ها:
1-تیر اهن معمولی به صورت تک یا جفت . 2-تیراهن بال پهن .
3-تیراهن معمولی با ورق تقویتی روی بال ویا بال وجان . 4- خرپا(truss)
5- تیر اهن لانه زنبوری از تیر اهن معمولی یا تیر اهن بال پهن .
6-تیرمرکب(Built-up Beam)از ترکیب تیراهن با ورق,تیراهن بال پهن با ورق و یا ترکیب ورق (Plate Girder)همان طور که از اسم ان پیداست از ورق ساخته می شود .



1-10-2-2- اتصالات مربوط به تیرها :
الف)سازه با اتصالات ساده(مفصلی) ب)سازه با اتصالات نیمه صلب
ج)سازه با اتصالات صلب
1-10-2-3- اتصالات ساده تیر به ستون:
اتصال با جفت نبشی جان. 2- اتصال نبشی نشیمن.
اتصال با نشیمن تقویت شده.
1-10-2-4-رعایت اتصالات از لحاظ میزان گیرداری(صلبیت,مفصلی و...):
در خیلی از ساختمان های فولادی برای ستون های واقع در قاب خمشی از مقطع زوج متشکل از دو نیمرخ IPE و ورقهای تقویتی روی بال ها استفاده می گردد.در این حالت به هنگام اعمال کشش ورق های تقویتی بال ها,به راحتی این ورق ها خمیده شده و فلسفه اتصال گیردار زیر سوال می رود.برای رفع یا حداقل,کاهش مشکل در چنین حالاتی می توان از جوشکاری ورق تقویت بالها استفاده نمود که این جزئیات بایستی در نقشه های اجرایی سازه امده باشد.
جوش شیاری ورق های فوقانی و تحتانی به ستون برای تامین اتصال گیردار نیز اهمیت زیادی دارد و در عمل نسبت به جزئیات ان مثل داشتن پخ 45 درجه لبه ورق و شرایط جوش نفوذی سهل انگاری می شود.خیلی اوقات ورق فوقانی به صورت مستطیلی به کار می رود و لذا جوش شیاری از مقاومت کافی برخوردار نخواهد بود.برای رفع این مشکل بهتر است پهنای این ورق به صورت ذوزنقه ای درمحل اتصال به ستون افزایش یابد.
نبشی های نشیمن زیر تیر ها در خیلی موارد برای تحمل نیرو های تکیه گاهی کافی نیستند و لذا بایستی انها را با افزودن سخت کننده های مثلثی تقویت نمود.
1-10-2-5- برخی ایرادات جوشکاری اتصالات ساده تیر به ستون:
در هنگام ساخت نشیمنگاه تقویت شده در برخی مواقع مشاهده می شود که لچکی های متصل شده نسبت به افق دارای زاویه می باشند,این تغییر زاویه عملا موارد مد نظر طراح را برای نیروهای محاسبه شده براورده نمی سازد.
در هنگام نصب نشیمنگاه بر روی ستون ها ممکن است بدلیل گرده بیش از حد جوش,لبه های نشیمنگاه با تیراهن فاصله داشته باشد وبه خاطر فاصله زیاد نبشی ها از سطح ستون و ایجاد قوس بلند لبه های ورق ذب میشود و از سطح مقطع ان کاسته می شود.
1-10-3- بادبند:
بادبندها دارای اشکال گوناگون می باشندکه برای تامین طول جوش مناسب انها در قسمت اتصال انها به تیر یا تیروستون از ورق هایی استفاده می کنند.رعایت ایجاد بادبند به صورت متقارن بسیار مهم می باشد زیرا در صورت عدم رعایت تقارن,یک کوپل پیچشی بزرگی در طبقات ساختمان پدید می اید.به عنوان یک مسئله مهم حذف عنصر مقاوم در طبقه همکف به علت ورودی ساختمان سبب شکل گیری طبقه نرم و ضعیف در این طبقه که قرار است حداکثر نیروی برشی ناشی از زلزله را تحمل نماید می شود.
1-10-3-1- برخی ایرادات اجرایی مهاربندها:
نوع جوشکاری بادبندها در تمام قسمت های اتصالی به صورت جوش گوشه می باشد که از جمله ایرادات ان می توان به موارد زیر اشاره کرد.
الف)اتصال عضو بادبند به صورت خارج از مرکز با نصب ورق اتصال در لبه بال ستون و تیر,اتصال این ورق به تنهایی به ستون یا تنها به تیر و نیز ضعف عضو مهاربند و ابعاد غیر کافی ورق های اتصال بادبند از موارد معمول میباشد.
ب) بدلیل طول جوش زیاد پس از پایان یافتن هر پاس جوش بدون تمیز کردن گل پاس اول در همان حال پاس دوم را بر روی گل جوش می زنند.به همین دلیل سرباره(گل)با جوش مخلوط شده و جوش دارای کیفیت مطلوب نمی باشد .همچنین جوش انجام یافته در این حالت دارای تخلخل زیادمی باشد.
ج) نداشتن فاصله مناسب اعضاء مورب با محل اتصال تیر به ستون به خصوص در بادبند های ضربدری .
د)در تیر های پیوندی بابندهای واگرا از تیراهن های لانه زنبوری استفاده میگردد.
1-10-3-2- مقایسه با ایین نامه:
فاصله عضو مورب از محل اتصال تیر به ستون,در روی ورق اتصال باید به اندازه t3 پایین تر از محل خط ازاد خمش قرار گیرد(tضخامت ورق اتصال). در بیشتر موارد این مورد ایین نامه ای را رعایت نمی کنند و به همین دلیل در هنگام بروز زلزله عضو مورب با تیر یا ستون برخورد می کند و اتصال در ان محل گسیخته می شود.کمترین کار برای جلوگیری از این ایراد پخ کردن لبه اتصالی ورق در محل اتصال تیر به ستون می باشد.


نتیجه گیری:
باوجود لرزه خیزی بالای اغلب نقاط پر جمعیت کشور و اسیب پذیری ساختمان های موجود در برابر زلزله بر اساس تجربیات زلزله های اخیر مثل منجیل , بم و... هنوز توجه کافی به ساخت وساز صحیح نشده است .از نظر مهندسی زلزله,در حال حاضر احداث بناهای مقاوم در برابر زلزله به راحتی امکان پذیر است . لیکن در عمل مشکلاتی شکل گرفته رسیدن به ساختمان های مقاوم را تضمین نمی کند.
مشکل اصلی اسیب پذیری لرزه ای ساختمان ها حتی نمونه های جدید الاحداث در ایران عدم استفاده صحیح از دانش فنی در مراحل طراحی و اجرا می باشد.بسیاری از مهندسان کشور نه تنها اطلاعات کاملی در مورد اسیب پذیری و مقاوم سازی لرزه ای ندارند بلکه در مواجهه با اغلب مسائل اجرایی معمول ساختمان نیز کوتاهی می کنند.لذا بایستی سطح اگاهی در اطلاعات فنی این افراد افزایش یابد و مکانیزمی برای اعمال قاطعیت اجرایی و کنترل امر در نظر گرفته شود.از جمله عوامل دیگری که سبب ضعف در اجرا می شوند می توان به عدم درج توضیحات کافی در نقشه های اجرایی نظیر بعد جوش ها,فاصله جوشکاری هاو ...اشاره کرد.همچنین عدم استفاده از نیروی ماهر و اموزش دیده ی اجرایی در پروژه ها نیز , ازعوامل ایجاد ضعف اساسی در پروژه ها میباشد.
بنابراین تطبیق موارد تئوری و عملی از اهم مواردبه شمار می اید و بایستی نسبت به رعایت انها توجه کافی و لازم را اعمال نمود تا ساختمانی ایمن و مقاوم و در عین حال اقتصادی طراحی و اجرا نمائیم .











منابع و ماخذ:
1-معاونت برنامه ریزی و نظارت راهبردی رئیس جمهور.ایین نامه جوشکاری ساختمانی ایران نشریه 228.تهران.1389.
2-سازمان مدیریت و برنامه ریزی.نشریه ی 55.تهران.1383.تجدید نظر دوم
3-کباری.سیاوش.اجزاء ساختمان وساختمان.دانش وفن.تهران.1384
4-30/1/1389/علی,محمد,یحیی .خیرالدین,بزاز و شربتی ناوان/بررسی اشکالات و ضعف های اجرایی سازه های فولادی /http://www.civilgate.com
5-محمودزاده,داود."نحوه اجرای سازه های اسکلت فولادی"(پروژه کاراموزی).اردبیل.1390.