في مختلف الحالات الإنشائية، قد يحتاج المهندسون إلى تقييم قوة الوصلات المصنوعة باللحام والمثبتات الميكانيكية. واليوم، تُستخدم البراغي عادةً كمثبتات ميكانيكية، ولكن التصاميم القديمة قد تستخدم المسامير.
قد يحدث هذا أثناء عمليات التحديث أو التجديد أو التحسينات في المشروع. قد يتطلب التصميم الجديد استخدام البراغي واللحام معًا في وصلة يتم فيها ربط المواد المراد وصلها بالبراغي أولًا ثم لحامها لتوفير أقصى قدر من المتانة للوصلة.
مع ذلك، فإن تحديد قدرة التحمل الإجمالية للوصلة ليس بالأمر البسيط، إذ لا يقتصر على جمع قيم مكوناتها الفردية (اللحامات، والمسامير، والبرشام). فقد يؤدي هذا الافتراض إلى عواقب وخيمة.
تم وصف الوصلات الملولبة في مواصفات الوصلات الهيكلية للمعهد الأمريكي للهياكل الفولاذية (AISC)، والتي تستخدم مسامير ASTM A325 أو A490 كتركيب محكم أو تحميل مسبق أو مفتاح انزلاقي.
أحكم ربط الوصلات المشدودة بإحكام باستخدام مفتاح ربط هوائي أو مفتاح ربط مزدوج الوجهين تقليدي من قِبل فني متخصص لضمان تلامس الطبقات بإحكام. في الوصلات مسبقة الإجهاد، تُركّب البراغي بحيث تتعرض لأحمال شد كبيرة، بينما تتعرض الصفائح لأحمال ضغط.
1. قم بتدوير الصامولة. تتضمن طريقة تدوير الصامولة شد البرغي ثم تدوير الصامولة بمقدار إضافي، يعتمد على قطر البرغي وطوله.
2. معايرة المفتاح. تقيس طريقة المفتاح المعاير عزم الدوران المرتبط بشد البرغي.
3. مسمار ضبط الشد من نوع الالتواء. تحتوي مسامير الشد القابلة للفك باللف على نتوءات صغيرة في نهاية المسمار المقابلة للرأس. عند الوصول إلى عزم الدوران المطلوب، يتم فك النتوء.
4. مؤشر السحب المباشر. مؤشرات الشد المباشر عبارة عن حلقات خاصة مزودة بألسنة. يشير مقدار الضغط على اللسان إلى مستوى الشد المطبق على البرغي.
ببساطة، تعمل البراغي كالدبابيس في الوصلات المحكمة والمشدودة مسبقًا، تمامًا كدبوس نحاسي يثبت رزمة من الورق المثقب. تعمل الوصلات الانزلاقية الحساسة بالاحتكاك: يُولّد التحميل المسبق قوة ضغط لأسفل، ويعمل الاحتكاك بين أسطح التلامس معًا لمقاومة انزلاق الوصلة. يشبه الأمر مجلدًا يثبت رزمة من الأوراق معًا، ليس بسبب وجود ثقوب في الورق، بل لأن المجلد يضغط الأوراق معًا، والاحتكاك يُبقي الرزمة متماسكة.
تتمتع مسامير ASTM A325 بقوة شد دنيا تتراوح بين 150 و120 كيلوغرامًا لكل بوصة مربعة (KSI)، وذلك حسب قطر المسمار، بينما يجب أن تتمتع مسامير A490 بقوة شد تتراوح بين 150 و170 كيلوغرامًا لكل بوصة مربعة (KSI). وتتصرف وصلات البرشام بشكل مشابه للوصلات المحكمة، ولكن في هذه الحالة، تكون المسامير المستخدمة عبارة عن برشام، وهي عادةً ما تكون أقل قوة بنحو النصف من مسامير A325.
عند تعرض وصلة مثبتة ميكانيكيًا لقوى القص (عندما يميل أحد العناصر إلى الانزلاق فوق عنصر آخر نتيجة لقوة مطبقة)، قد يحدث أحد أمرين: إما أن تكون البراغي أو المسامير على جانبي الثقوب، مما يؤدي إلى قصها في الوقت نفسه، أو أن الاحتكاك الناتج عن قوة تثبيت المثبتات المشدودة مسبقًا قد يتحمل أحمال القص. لا يُتوقع حدوث انزلاق في هذه الوصلة، ولكنه أمر وارد.
يُعدّ الربط المحكم مقبولاً في العديد من التطبيقات، إذ لا يؤثر الانزلاق الطفيف سلباً على خصائص الربط. على سبيل المثال، لنفترض صومعة مصممة لتخزين المواد الحبيبية. قد يحدث انزلاق طفيف عند التحميل لأول مرة. وبمجرد حدوث الانزلاق، لن يتكرر، لأن جميع الأحمال اللاحقة من النوع نفسه.
يُستخدم عكس اتجاه الحمل في بعض التطبيقات، كما هو الحال عند تعرض العناصر الدوارة لأحمال شد وضغط متناوبة. مثال آخر هو عنصر الانحناء الذي يتعرض لأحمال معكوسة تمامًا. عند حدوث تغيير كبير في اتجاه الحمل، قد يلزم استخدام وصلة مُحمّلة مسبقًا لمنع الانزلاق الدوري. يؤدي هذا الانزلاق في النهاية إلى مزيد من الانزلاق في الثقوب الطويلة.
تتعرض بعض الوصلات لدورات تحميل متكررة، مما قد يؤدي إلى إجهادها. تشمل هذه الوصلات المكابس، ودعامات الرافعات، ووصلات الجسور. وتُستخدم الوصلات الانزلاقية الحرجة عندما تتعرض الوصلة لأحمال إجهاد في الاتجاه المعاكس. في مثل هذه الظروف، من الضروري جدًا ألا تنزلق الوصلة، لذا يلزم استخدام وصلات انزلاقية حرجة.
يمكن تصميم وتصنيع الوصلات المثبتة بمسامير وفقًا لأي من هذه المعايير. وتُعتبر وصلات البرشام محكمة.
تتميز الوصلات الملحومة بصلابتها، بينما تُعدّ وصلات اللحام بالقصدير أكثر تعقيدًا. فعلى عكس الوصلات المثبتة بمسامير بإحكام، والتي قد تنزلق تحت الضغط، لا تحتاج اللحامات إلى التمدد وتوزيع الحمل المطبق بشكل كبير. وفي معظم الحالات، لا تتشوه المثبتات الميكانيكية الملحومة والمثبتات الحاملة بنفس الطريقة.
عند استخدام اللحام مع أدوات التثبيت الميكانيكية، ينتقل الحمل عبر الجزء الأكثر صلابة، مما يسمح للحام بتحمل معظم الحمل، مع مشاركة ضئيلة جدًا مع البرغي. لذا، يجب توخي الحذر عند اللحام والربط بالبراغي والتثبيت بالمسامير. المواصفات: تعالج المواصفة AWS D1 مشكلة الجمع بين أدوات التثبيت الميكانيكية واللحام. المواصفة 1:2000 للحام الإنشائي - الفولاذ. تنص الفقرة 2.6.3 على أنه بالنسبة للمسامير أو البراغي المستخدمة في الوصلات الحاملة (أي عندما يعمل البرغي أو المسمار كدبوس)، لا ينبغي اعتبار أدوات التثبيت الميكانيكية مشاركة في الحمل مع اللحام. في حال استخدام اللحام، يجب أن تتحمل هذه الأدوات كامل الحمل في الوصلة. مع ذلك، يُسمح بالوصلات الملحومة بعنصر والمثبتة بالمسامير أو المسامير بعنصر آخر.
عند استخدام مثبتات ميكانيكية من نوع التحميل وإضافة اللحامات، يتم إهمال قدرة تحمل البرغي إلى حد كبير. وبناءً على ذلك، يجب تصميم اللحام لنقل جميع الأحمال.
هذا مطابق بشكل أساسي للبند J1.9 من معيار AISC LRFD-1999. ومع ذلك، يسمح المعيار الكندي CAN/CSA-S16.1-M94 أيضًا بالاستخدام المستقل عندما تكون قوة المثبت الميكانيكي أو البرغي أعلى من قوة اللحام.
في هذا الشأن، هناك ثلاثة معايير متسقة: إمكانيات التثبيت الميكانيكي من نوع المحمل وإمكانيات اللحام لا تجتمع معًا.
يتناول القسم 2.6.3 من معيار AWS D1.1 أيضًا الحالات التي يمكن فيها دمج البراغي واللحام في وصلة ثنائية الأجزاء، كما هو موضح في الشكل 1. اللحام على اليسار، والبراغي على اليمين. يمكن هنا مراعاة القوة الإجمالية للحام والبراغي. يعمل كل جزء من الوصلة بشكل مستقل. وبالتالي، يُعد هذا المعيار استثناءً من المبدأ الوارد في الجزء الأول من القسم 2.6.3.
تنطبق القواعد التي نوقشت للتو على المباني الجديدة. أما بالنسبة للمنشآت القائمة، فتنص الفقرة 8.3.7 D1.1 على أنه عندما تُظهر الحسابات الإنشائية أن مسمارًا أو برغيًا سيتعرض لحمل زائد نتيجة حمل إجمالي جديد، يجب تخصيص الحمل الساكن الحالي فقط له.
وتنص نفس القواعد على أنه إذا تم تحميل مسمار أو برغي بأحمال ثابتة فقط أو تعرض لأحمال دورية (إجهاد)، فيجب إضافة كمية كافية من المعدن الأساسي واللحامات لدعم الحمل الكلي.
يُعدّ توزيع الحمل بين المثبتات الميكانيكية واللحامات مقبولاً إذا كان الهيكل مُحمّلاً مسبقاً، أي إذا حدث انزلاق بين العناصر المتصلة. ولكن لا يُمكن وضع سوى الأحمال الساكنة على المثبتات الميكانيكية. أما الأحمال الحية التي قد تؤدي إلى انزلاق أكبر، فيجب حمايتها باستخدام لحامات قادرة على تحمّل الحمل بالكامل.
يجب استخدام اللحامات لتحمل جميع الأحمال المطبقة أو الديناميكية. عندما تكون المثبتات الميكانيكية مُحمّلة فوق طاقتها، لا يُسمح بتقاسم الأحمال. في حالة التحميل الدوري، لا يُسمح بتقاسم الأحمال، لأن الحمل قد يؤدي إلى انزلاق دائم وتحميل زائد على اللحام.
توضيح. لنفترض وجود وصلة تراكبية كانت مثبتة بإحكام في الأصل (انظر الشكل 2). يُضيف الهيكل قوة إضافية، ولذا يجب إضافة وصلات وموصلات لزيادة القوة إلى الضعف. يوضح الشكل 3 الخطة الأساسية لتقوية العناصر. كيف ينبغي إجراء هذه الوصلة؟
بما أن الفولاذ الجديد كان لا بد من وصله بالفولاذ القديم باستخدام لحام فيليه، قرر المهندس إضافة بعض لحامات الفيليه عند الوصلة. ولأن البراغي كانت لا تزال في مكانها، كانت الفكرة الأصلية هي إضافة اللحامات اللازمة فقط لنقل القوة الإضافية إلى الفولاذ الجديد، مع توقع أن يمر 50% من الحمل عبر البراغي و50% عبر اللحامات الجديدة. هل هذا مقبول؟
لنفترض أولاً أنه لا توجد أحمال ثابتة مطبقة حاليًا على الاتصال. في هذه الحالة، ينطبق البند 2.6.3 من AWS D1.1.
في هذا النوع من الوصلات الحاملة، لا يمكن اعتبار اللحام والبرغي متقاسمين للحمل، لذا يجب أن يكون حجم اللحام المحدد كبيرًا بما يكفي لتحمل كامل الحمل الساكن والديناميكي. لا يمكن أخذ قدرة تحمل البراغي في هذا المثال بعين الاعتبار، لأنه بدون حمل ساكن، ستكون الوصلة في حالة ارتخاء. ينكسر اللحام (المصمم لتحمل نصف الحمل) مبدئيًا عند تطبيق الحمل الكامل. ثم يحاول البرغي، المصمم أيضًا لنقل نصف الحمل، نقل الحمل وينكسر.
بافتراض تطبيق حمل ثابت، يُفترض أيضًا أن الوصلة الحالية كافية لتحمل الحمل الدائم الحالي. في هذه الحالة، ينطبق البند 8.3.7 D1.1. لا يلزم أن تتحمل اللحامات الجديدة سوى زيادة الأحمال الثابتة والحية العامة. يمكن توزيع الأحمال الميتة الحالية على المثبتات الميكانيكية الموجودة.
تحت الحمل الثابت، لا يترهل الوصل. بل تتحمل البراغي حمولتها بالفعل. وقد حدث بعض الانزلاق في الوصل. لذلك، يمكن استخدام اللحامات التي يمكنها نقل الأحمال الديناميكية.
تعتمد الإجابة على سؤال "هل هذا مقبول؟" على ظروف التحميل. في الحالة الأولى، في غياب أي حمل ثابت، ستكون الإجابة بالنفي. أما في ظل الظروف الخاصة بالسيناريو الثاني، فالإجابة بالإيجاب.
لا يمكن دائماً استخلاص نتيجة بمجرد تطبيق حمل ثابت. فمستوى الأحمال الثابتة، وكفاءة الوصلات الميكانيكية القائمة، وطبيعة الأحمال الطرفية - سواء كانت ثابتة أو دورية - قد تُغير النتيجة.
دوان ك. ميلر، طبيب، مهندس محترف، 22801 شارع سانت كلير، كليفلاند، أوهايو 44117-1199، مدير مركز تكنولوجيا اللحام، شركة لينكولن إلكتريك، www.lincolnelectric.com. تُصنّع شركة لينكولن إلكتريك معدات ومواد اللحام الاستهلاكية في جميع أنحاء العالم. ويُساعد مهندسو وفنيو مركز تكنولوجيا اللحام العملاء على حلّ مشاكل اللحام.
الجمعية الأمريكية للحام، 550 طريق ليجون الشمالي الغربي، ميامي، فلوريدا 33126-5671، هاتف 305-443-9353، فاكس 305-443-7559، موقع الويب www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, phone 610-832-9585, fax 610-832-9555, website www.astm.org.
جمعية الهياكل الفولاذية الأمريكية، وان إي. واكر درايف، جناح 3100، شيكاغو، إلينوي 60601-2001، هاتف 312-670-2400، فاكس 312-670-5403، موقع الويب www.aisc.org.
مجلة فابريكيتور هي المجلة الرائدة في أمريكا الشمالية في مجال تصنيع وتشكيل الصلب. تنشر المجلة أخبارًا ومقالات تقنية وقصص نجاح تمكّن المصنّعين من أداء عملهم بكفاءة أكبر. تعمل فابريكيتور في هذا المجال منذ عام 1970.
الآن مع إمكانية الوصول الكامل إلى النسخة الرقمية من مجلة "ذا فابريكيتور"، سهولة الوصول إلى موارد صناعية قيّمة.
أصبح الإصدار الرقمي من مجلة الأنابيب والأنابيب متاحًا بالكامل الآن، مما يوفر سهولة الوصول إلى موارد الصناعة القيّمة.
احصل على وصول رقمي كامل إلى مجلة STAMPING Journal، التي تعرض أحدث التقنيات وأفضل الممارسات وأخبار الصناعة لسوق ختم المعادن.
الآن مع إمكانية الوصول الرقمي الكامل إلى The Fabricator en Español، يمكنك الوصول بسهولة إلى موارد صناعية قيّمة.