مراحل کنترل و اجرای اسکلت فلزی

اجرای اسکلت فلزی یکی از مباحث چالش برانگیز در صنعت ساخت و ساز است و بروز زلزله و تخریب سازه‌های فلزی در سطح کشور نشان می‌دهد ساختمان‌های فلزی علی رغم استفاده از ماده اولیه فولاد به عنوان یک عنصر کاملا شکل‌پذیر، بنا به دلایلی همچون ضعف در جوشکاری، وصله نامناسب اعضا، ناشاقولی ستون‌ها و عدم درک صحیح از رفتار اتصالات و میزان گیرداری آن‌ها رفتار نامطلوب و غیرشکل‌پذیر از خود نشان داده اند.

به همین دلیل لازم است با نظارت دقیق، آموزش صحیح و پرورش عوامل اجرایی کارآمد، گام‌های موثری جهت ارتقاء کیفیت این صنعت برداشته شود.

اجرای استراکچر فلزی در محل پروژه

ساخت اسکلت فلزی در پروژه‌های کوچک معمولا در محل پروژه و در کارهای بزرگ در کارخانه ساخت اسکلت فلزی انجام می‌شود.

سازه‌های فلزی 5 تا 6 طبقه معمولا از مقاطع تک و دوبل IPE (برای تیر و ستون) با یا بدون ورق تقویت ساخته شده و جهت صرفه جویی و کاستن از هزینه‌ها اکثرا در محل کارگاه اجرا می‌شوند.

در این مراحل ابتدا مقادیر آهن آلات مورد نیاز از روی نقشه‌های سازه برآورد شده و پس از سفارش خرید، پروفیل‌ها و ورق‌ها به صورت شاخه یا برش‌خورده در محل پروژه تخلیه می‌شوند.

برای اجرای اسکلت فلزی به صورت اصولی، دقیق و همچنین ایجاد سطح مسطح و تراز جهت ساخت مقاطع، ابتدا زیرکار با استفاده از تیرآهن شاسی‌کشی شده و سپس مراحل ساخت اسکلت فلزی از ستون‌ ها آغاز می‌شود.

پس از برش مقاطع ستون‌ها در طول‌های مورد نیاز، آن‌ها را به صورت پاباز یا پاجمع دوبل کرده و ورق های تقویت روی آن‌ها نصب می‌شوند.

پس از تکمیل ساخت ستون‌ها و انجام جوشکاری مورد نیاز، ورق های اتصالات بر روی آن‌ها سوار شده و جوش‌ها تکمیل می‌شوند.

مراحل گفته شده برای تیرها و مهاربندها نیز انجام شده و بدین ترتیب اسکلت فلزی آماده نصب خواهد بود که در ادامه مطلب مراحل نصب اسکلت فلزی را شرح خواهیم داد.

اجرای اسکلت فلزی در کارخانه

برای پروژه‌های بزرگ و ساختمان‌های بیشتر از 6 تا 7 طبقه، ساخت اسکلت فلزی در کارخانه انجام می‌شود.

ستون‌هایی با مقاطع BOX، صلیب یا H شکل و همچنین تیرهایی با دوبل I شکل مراحل ساخت پیچیده‌تری داشته و در برشکاری و اتصالات آن‌ها باید دقت و نظارت بیشتری انجام گیرد.

مراحل ساخت و نصب اسکلت فلزی

1) نصب صفحه ستون ها

نصب بیس پلیت یا صفحه ستون به دو روش انجام می‌شود.

در روش اول بیس پلیت در کارخانه توسط جوش نفوذی کامل به ستون نصب شده و سپس در محل پروژه به وسیله میلگردهای انتظار که قبلا در فونداسیون جایگذاری شده، به پی متصل می‌شود.

در روش دوم بیس پلیت در محل پروژه روی فونداسیون جایگذاری شده و پس از اتمام بتن ریزی فونداسیون، ستون‌ها به وسیله بولت‌هایی که از قبل کار گذاشته شده، به صفحه ستون متصل می‌شوند. این روش، در عمل به دلیل سهولت در اجرا، کاربرد بیشتری دارد.

در این روش به دلیل وزن زیاد صفحه ستون‌ها، در هنگام بتن ریزی پی از شابلون استفاده می‌کنند که ضخامت کمتری داشته و سوراخ‌های آن کاملا منطبق با صفحه ستون است.

پس از بتن ریزی، شابلون‌ها باز شده و بیس پلیت‌ها روی بولت‌ها نصب می‌شوند و توسط مهره‌های تحتانی کاملا رگلاژ و تراز می‌گردند.

صفحه ستون نقش بسیار مهمی در انتقال بار ستون به پی دارد، به همین دلیل در طراحی و اجرای آن باید دقت بسیاری شود. گاهی اوقات به دلیل الزامات طراحی باید ضخامت صفحه ستون افزایش یابد که از نظر اقتصادی به صرفه نبوده و باعث سختی در اجرا می‌شود.

به همین دلیل لازم است صلبیت صفحه ستون به نحو دیگری افزایش پیدا کند. استفاده از ورق‌های تقویتی و نبشی‌ها به شکل‌ها و حالت‌های مختلف به عنوان راه حلی مناسب جهت رفع این محدودیت مد نظر قرار می‌گیرد.

2) ساخت و نصب ستون ها

جهت ساخت و نصب ستون فلزی، ابتدا ورق‌ها به عرض مناسب برش داده می‌شوند و سپس لبه‌های ورق‌ها پخ‌زنی شده و با جوش شیاری کامل به یکدیگر متصل می‌گردند. (به این مراحل تسمه‌بری و تسمه‌سازی گفته می‌شود)

در مرحله بعد، ورق‌ها روی شاسی با خال جوش موقت به یکدیگر متصل می‌شوند. سپس دیاق‌ها روی آن نصب می‌گردند که این امر جهت جلوگیری از تغییر زاویه است. (به این مرحله مونتاژکاری می‌گویند)

پس از تکمیل مونتاژکاری، جوشکاری طولی اعضا و اتصالات بیرونی مانند نبشی‌ها، ورق‌های زیرسری و غیره، ستون‌ها آماده نصب می‌شوند. هر چقدر دقت و نظارت در مراحل ساخت ستون فلزی بیشتر باشد، مرحله نصب با خطای کمتر و سرعت بیشتر انجام می‌شود.

ستون‌ها با توجه به الزامات طراحی با مقاطع مختلف ساخته می‌شوند که هر کدام از آن‌ها نکات اجرایی مخصوص به خود را دارد.

3) ساخت و نصب تیرهای اصلی

مراحل ساخت تیرها تا حد زیادی شبیه به ساخت ستون فلزی است.

پس از تسمه‌بری و تسمه‌سازی، جان و بال‌ها بر روی هم مونتاژ می‌شوند. در مرحله بعد دیاق‌ها نصب شده و جوش طولی به وسیله دستگاه زیر پودری یا CO₂ انجام می‌گردد.

در انتها مراحل بازرسی و کنترل جوش‌ها انجام شده و پس از تایید به مرحله رنگ فرستاده می‌شود.

پس از ارسال قطعات به محل پروژه، شاه تیرها متناسب با شماره هر قطعه به ترتیب از طبقات پایین تا بالا در جای خود نصب می‌گردند.

4) شاقولکاری نهایی ستون

پس از نصب ستون فلزی و تیرهای اصلی یک پارت، نوبت شاقولکاری نهایی ستون‌ها است.

شاقولی ستون فلزی در انتقال بارهای ثقلی و زلزله به فونداسیون نقش زیادی داشته، به همین دلیل لازم است حداکثر دقت در این مرحله انجام گیرد.

همچنین در صورت ناشاقولی ستون‌ها، در مرحله دیوارچینی و نازک کاری، مشکلات جدی در معماری و افزایش هزینه‌ها رخ می‌دهد.

به عنوان یه نکته اجرایی توصیه می‌شود که در سازه‌های بلند و ستون‌های چند پارته، در ابتدا کل میزان ناشاقولی مجاز طبق آیین نامه محاسبه شده و سپس مقدار مجاز بر تعداد پارت‌ها تقسیم شود.

عدد حاصل شده در هر پارت جهت کنترل ناشاقولی ستون ها باید ملاک عمل قرار گیرد. نتیجه این روش این است که قطعا در انتهای کار میزان ناشاقولی احتمالی از مقادیر مجاز کمتر خواهد بود.

5) نصب تیرهای فرعی

بار سقف به وسیله تیرهای فرعی یا تیرچه ها به تیرهای اصلی منتقل می‌شوند. اتصالات تیرچه‌ها مفصلی بوده و تنها جهت انتقال بارهای ثقلی طراحی می‌شوند.

این تیرها عمدتا از پروفیل‌های I شکل و گاهی از تیرورق ساخته می‌شوند. پس از برش پروفیل‌ها در طول مناسب، بال بالا و قسمتی از جان پروفیل جهت ایجاد رفتار مفصلی و قرار گرفتن هم‌سطح شاه تیرها بریده می‌شود.

در مرحله بعد برشگیرها و همچنین دیاق انتهایی جهت قرارگیری روی شاه تیر، روی تیرچه نصب شده و پس از کنترل و بازرسی جوش‌ها و رنگ آمیزی، در محل خود نصب می‌شوند.

همچنین معمولا هم‌زمان با برش تیرچه‌ها، برش و ساخت شمشیری‌های راه پله نیز در دستور کار قرار می‌گیرد.

6) ساخت و نصب مهاربند

جهت نصب مهاربندها ابتدا صفحات اتصال (گاست پلیت‌ها) در آکس تیر و ستون‌ها قرار گرفته و با جوش گوشه به آن‌ها متصل می‌شوند.

این امر به دلیل این است که میزان جزئی دو آکسه شدن با توجه به نیروی زیاد موجود در مهاربندها موجب پیچش در ستون‌ها می‌شود.

هم‌چنین گاست پلیت‌ مهاربندها باید کاملا هم‌راستا با تیر و ستون نصب شوند، زیرا پیچش صفحات اتصال موجب اتصال نامناسب به تیر می‌شود.

سپس اعضای مهاربندها عمدتا از پروفیل‌های دوبل نبشی و ناودانی در طول‌های مناسب برش خورده و با خال جوش در جای خود قرار داده می‌شوند.

در انتها پس از تکمیل مونتاژ مهاربندها و کنترل صحت نصب، جوش‌های تکمیلی انجام می‌شود. همچنین امکان نصب اتصالات بر روی ستون‌ها در کارخانه و استفاده از پیج در کارگاه جهت افزایش سرعت و کیفیت وجود دارد.

7) تکمیل جوشکاری و اتصالات تیرها و ستون ها

تجربه‌های زلزله‌های گذشته نشان‌دهنده رفتار نامطلوب اتصالات در سازه‌های فولادی به دلیل عدم به کارگیری ابعاد مناسب ورق اتصال و نیز جوشکاری نامناسب است که بدیهی است عملکرد کل سازه را با چالش مواجه می‌کند.

به همین دلیل، در انتهای مراحل ساخت و نصب اسکلت فلزی به تکمیل جوشکاری اتصالات تیرها و ستون‌ها جهت حصول رفتار لرزه‌ای مطلوب و افزایش شکل‌پذیری سازه، می‌پردازیم.

تا حد امکان، جوش اتصالات در کارخانه انجام شود. انجام جوش ورق‌های زیرسری، نصب صفحه ستون و سخت‌کننده‌ ها، اتصال گاست پلیت های کناری بادبندها (صفحات اتصال) و سخت کننده های تیر از این جمله‌اند.

جهت جلوگیری از بروز عیوب جوش باید کلیه لبه‌های کونیک شده اتصالات با سنگ‌زنی کاملا صاف شود. وجود پلیسه‌ها و خلل و فرج احتمالی سبب بروز عیوبی چون ذوب ناقص و عدم نفوذ می‌شود.

مونتاژ صحیح اتصالات شامل در آکس بودن، هم‌راستایی، قرارگیری در مرکز و غیره نقش مهمی در کیفیت جوش و پیش‌گیری از عیوب احتمالی دارد.

به عنوان مثال عدم نفوذ یکی از عیوب شایع در جوش نفوذی، اتصال روسری تیرها است. این اتصال تنها در قاب‌های خمشی معمولی و متوسط مجاز است.

به راحتی با قرار دادن ته الکترود بین روسری و ستون حین مونتاژ می‌توان فاصله حدود 4 میلی‌متر را ایجاد و از عیوب احتمالی پیش‌گیری کرد.

نکات مهمی که در جوشکاری اسکلت فلزی باید بدانیم!

از رنگ کردن محل اتصالات قبل از جوشکاری میبایست اجتناب کرد زیرا وجود رنگ در محل جوشکاری موجب بروز عیوب زیادی از جمله تخلخل، پاشش زیاد و ذوب ناقص می‌شود.

جهت کاهش تنش‌های پسماند و اعوجاج قطعات، باید مسیر پیشرفت جوشکاری از نقطه با گیرداری بیشتر به سمت نقطه با گیرداری کمتر باشد.

جوش اتصال ستون به ستون در هر پارت، ترجیحا پس از شاقول کاری نهایی و همزمان با اجرای اتصالات تیرها تکمیل شود.

در جوشکاری صفحات اتصالی ضخیم، از به کار بردن جوش‌های پهن (اصطلاح کارگاهی کبابی) در یک پاس اجتناب شود. لازم است جوش‌های هر پاس به صورت زنجیروار با جوش قبلی همپوشانی مناسب ایجاد کند.

از الکترود با نوع و قطر متناسب با جنس و ضخامت ورق استفاده شود. استفاده از الکترود با قطر بیشتر از ضخامت ورق ممنوع است.

در اتصال دوبل ورق جان، جهت جلوگیری از سوختگی جان تیر در اثر جوشکاری ترجیحا عرض یکی از ورق‌ها حدود دو سانتی‌متر بیشتر از دیگری در نظر گرفته شود.

جوش ورق اتصال جان تیرهای اصلی به ستون در قسمت ستون (خط جوش سربالا) تحت تأثیر همزمان تنش‌های برشی و خمشی و سه خط جوش دیگر تحت تاثیر برش و پیچش هستند.

به همین دلیل این جوش باید کاملا به صورت دورتادور انجام شود. به دلیل صعوبت نسبی اجرا معمولا جوشکاران جوش افقی فوقاتی و تحتانی ورق اتصال جان را انجام نداده یا این کار با کیفیت نامطلوب انجام می‌شود.

استفاده از ورق روسری ذوزنقه‌ای شکل، موجب افزایش طول قسمت جوش نشده و امکان کمانش آن تحت نیروهای فشاری است. در این موارد ترجیحا باید از شکل کله گاوی استفاده شود.

کلیه جوش‌های نفوذی مخصوصا جوش نفوذی ورق روسری به ستون در کارگاه باید با تست های غیرمخرب کنترل شود.

دماسنجی در محوطه کارگاه نصب شده و در صورت بروز دمای زیر صفر، روند عملیات جوشکاری متوقف شود.

اگرچه بر حسب ضوابط استاندارد با پیش گرمایش امکان انجام جوشکاری در این موارد میسر است، اما به دلیل عدم امکان کنترل مناسب توسط ناظرین و نیز عدم انجام پیش گرمایش در اکثر موارد توسط عوامل اجرایی، ترجیحا روند کار متوقف شود. در غیر این صورت احتمال بروز ترک در جوش‌ها بسیار بالا خواهد بود.

نکات مهم اسکلت فلزی پیچ و مهره ای

در صورت استفاده از برخی اتصالات مانند اتصال گیردار فلنجی بدون لچکی و اتصال فلنجی ۴ یا ۸ پیچی در کلیه سطوح قاب خمشی و اتصال پیچی با ورق زیرسری و روسری در قاب‌های خمشی ویژه باید از اتصال ستون به دال بتنی با استفاده از مصالح انعطاف‌پذیر مانند یونولیت به ضخامت حداقل ۲۵ میلی‌متر جلوگیری شود.

در اتصالات پیچی حتما به نوع پیچ مندرج در نقشه‌ها کاملا دقت شود. پیچ های 8.8 یا A325 از نظر تنش تسلیم و تنش نهایی کاملا با پیچ های 10.9 یا A490 متفاوت هستند.

پیچ 8.8 یا A325 با تنش تسلیم و تنش نهایی F_u = 8000 Kg/cm² و F_y = 6400 Kg/cm²

پیچ 10.9 یا A490 با تنش تسلیم و تنش نهایی F_u = 10000 Kg/cm² و F_y = 9000 Kg/cm²

پیچ‌های مورد استفاده در اجرای اسکلت فلزی به صورت استاندارد در قطرهای ۱۶، ۲۰، ۲۲، ۲۴، ۲۷، ۳۰ و ۳۶ میلی‌متر تولید می‌شوند.

پیچ‌های تولیدی به صورت فورج سرد از پیچ‌های فورج گرم با کیفیت‌تر و دارای عیوب کمتر هستند. بر اساس نتایج آزمایش‌ها، بریدن پیچ های فورج گرم از قسمت سر آن تحت تنش‌های وارده بیشتر مشاهده شده است.

پیچ‌های فورج سرد در کشور عمدتا تا سایز ۲۴ تولید شده و ۲۷ و ۳۰ میلی‌متر نیز توسط برخی شرکت‌ها ارائه می‌شود.

طول پیچ به اندازه‌ای باشد که پس از سفت شدن کامل حداقل ۳ رزوه بیرون از مهره قرار گیرد.

جهت اعمال نیروی مناسب و افزایش سرعت کار در اتصالات پیچی ترجیحا از ایمپکتورهای بادی یا برقی به جای آچارهای دستی و مولتی پلیر استفاده شود. مولتی پلیر ابزاری جهت افزایش قدرت دست کارگر است.

همچنین با توجه به اینکه استفاده از پیچ های ویژه (TC) و واشرهای DTI به علت قیمت بالا در ایران چندان متداول نیست، لازم است نیروی پیش تنیدگی در اتصالات اصطکاکی توسط ترک متر کنترل شود.

کالیبره کردن ترک متر از موارد ضروری است که باید قبل از کنترل نیروی پیش تنیدگی پیچ‌ها صورت گیرد.

واشرهای DTI دارای برآمدگی‌هایی حاوی سیلیکون هستند که پس از اعمال نیروی کافی و سفت شدن کامل پیچ، به صورت تخت در می‌آیند. بیرون زدن مایع سیلیکونی قرمز رنگ، نشانه اعمال نیروی پیش تنیدگی مناسب در پیچ است.

در ساخت اسکلت فلزی و در صورت استفاده از واشرهای DTI، برای هر سایز پیچ باید از واشر استاندارد همان پیج استفاده شود.

پیچ‌های ویژه زائده‌ای در قسمت انتهایی دارند که پس از اعمال نیروی پیش تنیدگی کافی از بدنه پیچ جدا می‌شود. سفت کردن این پیچ ها توسط آچار مخصوص انجام می‌شود.

در اتصالات پیچی استفاده از ورق پرکننده با ضخامت یکنواخت و مقاومت نظیر قطعات بلامانع است. لازم به ذکر است در مواردی مثل اتصالات صلب تیرها، محدودیت‌هایی در مجموع ضخامت ورق‌های پرکننده تا حداکثر 6 میلی‌متر وجود دارد.

در اتصالات اصطکاکی، محدوده پیچ‌ها تا فاصله 25 میلی‌متر باید کاملا از هر گونه رنگ‌زدگی، پاشش جوش و رنگ تمیز شود. همچنین از رنگ کردن این قسمت‌ها قبل از نصب پیچ‌ها نیز اجتناب شود.

در صورت جا نرفتن پیچ‌ها و نیاز به افزایش قطر سوراخ، به جای استفاده از هوابرش باید از برقو استفاده شود. استفاده از هوابرش جهت افزایش قطر سوراخ‌ها مجاز نیست.

در صورت نیاز به باز کردن پیچ‌ها پس از ایجاد نیروی پیش تنیدگی در آن‌ها، باید پیچ ها کلا تعویض شوند و استفاده مجدد از آن‌ها مجاز نیست.

در انتهای کار و پس از تست و تایید اتصالات، باید روی کلیه ورق‌های اتصال، جوش‌ها و پیچ‌ها رنگ شود.

نکات مهم در اجرای اسکلت فلزی

از ایجاد تغییر در ابعاد ورق‌های اتصال بدون اخذ نظر طراح اجتناب شود. به عنوان مثال بزرگتر کردن عرض ورق اتصال جان تیر به ستون موجب افزایش فاصله محل اعمال بار و مرکز هندسی ورق و در نتیجه افزایش تنش‌ها خواهد بود.

تکیه‌گاه‌های جانبی بال پایین تیرها در قاب‌های خمشی ویژه جهت جلوگیری از کمانش جانبی پیچشی از مواردی است گاهی هم در طراحی و هم در اجرا مورد غفلت واقع می‌شود.

به همین دلیل لازم است دقت کافی در اجرای ساپورت‌ها به کار رفته و با دیتیل‌های مناسب اجرا شود.

در صورت وجود فاصله زیاد بین تیر اصلی و فرعی مثل سقف‌های عرشه فولادی می‌توان قبل از بتن‌ریزی سقف، صفحاتی در داخل آن قرار داد تا ساپورت‌های جانبی به آن‌ها جوش شود.

در صورت عدم جاگذاری صفحات فلزی قبل از بتن‌ریزی، می‌توان آن‌ها را به سقف رول بولت کرد.

در نواحی اطراف بازشوهای بزرگ که عملا تیر فرعی جهت اتصال ساپورت‌ها وجود ندارد، افزایش سایز مقطع تیر اصلی در این نواحی جهت اجرای ضوابط مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و عدم نیاز به اجرای تکیه‌گاه جانبی به عنوان یک راهکار اجرایی مدنظر قرار گیرد.