اتصالات لوله­‌ – تاریخچه ، انواع مختلف و روش های تولید

کلیاتی راجع به سازه ­های لوله­ و مزایای آنها

سازه هایی متشکل از اعضاء توخالی بامقاطع دایره و مستطیلی به مقیاس وسیع در سازه های دریایی و ساحلی، خرپاهای فضاکار ، دکل­های مخابراتی و انتقال نیرو ، سازه باربر جرثقیل ، منابع فلزی هوایی ، خرپاها و تیرهای ویراندل بکار برده می شوند.

یکی از عواملی که باعث رواج استفاده از این اعضاء در سازه ها شده است، امکاناتی است که جوشکاری برای اتصالات آن در اختیار می گذارد . مقاطع توخالی (HSS) بسیار اقتصادی و استفاده از آنها در عمل به دلایل متعددی بر مقاطع باز ارجحیت دارد. از همین جهت در ساخت سوله نیز مورد توجه هستند . بعضی از آنها عبارتند از:

• مقاومت بالای مقاطع توخالی در مقابل پیچش ، که در ممانعت از کمانش جانبی آنها مؤثر است . مقاومت پیچشی بالا به همراه اتصالات نیمه گیردار جوشی در خرپاها موجب می شود که طول کمانش اعضاء خریابین 0.5 تا 0.75 برابر طول عضو باشد که این خود باعث زیاد شدن مقاومت کمانش عضو می شود.
• هرچند ماکزیمم ممان مقاطع توخالی کمتر از ماکزیمم ممان مقاطع پروفیلی شکل هم وزن آن می باشد ولی ممان مینیمم مقاطع آنها به دلیل تقارن خواص مقطع ، بیشتر از پروفیل I هم وزن آن می باشد که این در مقاومت اعضاء فشاری بسیار مفید است .
• به علت کم بودن نسبت سطح نمایان به سطح مقطع عرضی در مقاطع توخالی ، سطوح رنگ­کاری و سطوح در معرض خوردگی و آتش سوزی کمتری نسبت به پروفیل های دیگر دارند.
• اعضاء توخالی با مقطع دایره (CHS) در مقابل نیروهای هیدرودینامیکی بهترین رفتار را نسبت به سایر مقاطع از خود نشان می دهند که علت آن پائین بودن ضریب پسا برای این مقاطع است.
• به علت پائین بودن سطح نمایان ، مقاومت بیشتری در برابر آتش سوزی دارند . با پر کردن مقطع با بتن و در صورت امکان با پوشش بتنی می توان آن را بیشتر نیز نمود . راه دیگر برای بهبود مقاومت در مقابل آتش سوزی استفاده از جریان آب ، در داخل مقاطع توخالی می باشد . در این سیستم با بالا رفتن دما در سازه به آب اجازه داده می شود که در درون مقاطع به جریان در آید.
• از فضای خالی داخل این مقاطع می توان برای انتقال تاسیسات ، سیمهای برق ، حرارت و یا تهویه استفاده نمود.
• زیبای ظاهری و شکل صاف این مقاطع ، آنها را برای معماری مناسب ساخته است . اعضاء توخالی با مقطع مستطیلی (RHS) ضریب پسای بالاتری نسبت به مقاطع دایره ای دارند بنابراین برای مقاومت در برابر باد و با موج بهتر است از اعضا با مقاطع دایره استفاده نمائیم.
• ساخت نمیرخ ­های قوطی با مقاطع مربع و مستطيل از ورق نازک بسیار ساده می باشد و هیچ گونه اضافه قیمتی نسبت به نیمرخ ­های نورد شده ندارند . اتصالات اعضا توخالی با مقاطع مربع و مستطیل به یکدیگر به علت سطح تختی که دارند بسیار ساده بود و به این خاطر کاربرد آنها در ساخت خرپاهای سبک فراوان است. در مقایسه با مقاطع دایره که نیاز به آماده سازی ویژه در محل اتصال دارند، اتصالات مقاطع راستگوشه آسانتر و ارزانتر انجام می شود.

اما در ادامه به توضیح بیشتری از این سازه ها خواهیم پرداخت .

تاریخچه استفاده از مقاطع توخالی

اعضاء با مقطع توخالی کاربرد زیادی در سازه های مهندسی دارند. در سازه های دریایی خصوصا سکوها از اعضا با مقطع دایره استفاده می کنند و در سازه های دیگر مانند خرپاها از اعضا با مقطع مستطیلی و دایره­ استفاده می شود.

در زمان توسعه صنعت نفت به داخل آب­های دریا تقریبا هیچگونه اطلاعی از کارایی و عملکرد لوله های جوش شده به یکدیگر به عنوان یک اتصال سازه در دست نبود. لوله ها فقط در ابعاد کوچک موجود بود و امکانات کافی برای تولید لوله های با ابعاد بزرگتر وجود نداشت.

به علت کاربرد وسیع اتصالات لوله در سکوهای دریایی بیشترین تحقیقاتی که تاکنون انجام گرفته بر اساس نیازهای طراحی سازه های سکوها بوده است .

انجمن جوش آمریکا با پشتیبانی و همکاری صنعت نفت کمیته ای جهت بررسی و تهیه مشخصات لازم برای جوشکاری صحیح و تعیین صلاحیت جوشکاران تشکیل داد. شرکت های نفتی هزینه های آزمایشات و تحقیقات در مورد اتصالات لوله ای در دانشگاه ها را برعهده گرفتند و به طور غیر مستقیم از پروژه ها و سایر کارهای تحقیقاتی نیز حمایت کردند. انجمن نفت آمریکا در اکتبر سال ۱۹۶۹ اولین شماره نشریه 2A-API-R را منتشر کرد. دستورالعمل­های API هر چند سال یکبار مورد تجدید نظر قرار می گیرد. و در سال ۱۹۹۳ ضوابط طراحی LRFD نیز ملحوظ گردید.

انجمن جوش آمریکا برای اولین بار در سال ۱۹۷۲ طرح سازه های لوله ای را به آئین نامه جدید خود به نام 1.AWS D1 اضافه کرد.

به تدریج مقالات و مباحث تخصصی در مورد اتصالات لوله ای در نشریه A SCE به چاپ رسید. همچنین در نشریه The Structural Engineer مقالات زیادی به چاپ رسید. که همگی حاکی از اهمیت این نوع اتصالات دارند.

با شروع کنفرانس ­های سالیانه Offshore Technology Conference از سال ۱۹۶۹، مرکز دیگری برای مطالعه در زمینه اتصالات و سازه های لوله ای جوش شده در سازه های دریایی به وجود آمد.

ضوابط و دستورالعمل­های جدید دیگری از طرف سازمان کشتیرانی آمریکا و مدیریت نفت نروژ و سازمان انرژی انتشار یافت.

دستورالعمل CIDECT که از سال ۱۹۹۱ منتشر می گردد ضوابط طراحی در سازه های لوله ای که دارای کاربری در خشکی هستند را مورد بررسی قرار می دهد. علاوه بر کنفرانس OTC کنفرانسهای دیگری نیز از سال ۱۹۸۴ در زمینه اتصالات لوله ای برگزار شد. اولین کنفرانس در سال ۱۹۸۴ در شهر بستن به همت موسسه IIW-International Institute of Welding، دومین کنفرانس در سال ۱۹۸۶ در توکیو، سومین کنفرانس در کشور فنلاند در سال ۱۹۸۹ و چهارمین کنفرانس در سال ۱۹۹۱ در دانشگاه دلفت هلند برگزار شد. پنجمین کنفرانس هم در دانشگاه نایتنگهام و ششمین کنفرانس در ملبورن استرالیا برگزار گردید.

بعد از اینکه کمیته CIDECT در سال ۱۹۶۲ شکل گرفت کارهای تحقیقاتی زیادی در زمینه پایداری ، حفاظت در برابر آتش ، بارگذاری باد ، بررسی رفتار کمانشی ستونها با مقاطع لوله ای توخالی یا پرشده از بتن ، خواص آیرودینامیک ، مقاومت در مقابل خوردگی ، سازه های مرکب و رفتار خستگی و استاتیکی اتصالات لوله ای به انجام رسید . بعد از اینکه استفاده از مقاطع توخالی در انگلستان رایج شد یکسری مطالعات تئوریک و آزمایشگاهی در زمینه اتصالات لوله ای در دانشگاه شفیلد انجام گرفت که نهایتا دستوالعمل های طراحی Wood,Eastwood نوشته شد. این توصیه های طراحی به سرعت در کانادا تکمیل شد و توسط استلکو Stelco در سال ۱۹۷۱ اولین دستورالعمل طراحی اعضاء لوله ای شکل در جهان منتشر شد. همچنین در ژوئن سال ۱۹۸۵ کنفرانس اتصالات لوله ای در لندن برگزار شد که منجر به نوشته شدن دستورالعمل UEG گردید.

نتایج تحقیقاتی CIDECT در خیلی از آئين نامه های دیگر نیز مورد استدده قرار گرفته است، از جمله می توان آئین نامه هایDEn, NF(Norme Francaise) ,BS(British Standard) Eurocode3 ,IIW(International Institute of Welding), AIJ(Architectural Institute of Japan), ACNOR/CSA(Canadian Standard)  را نام برد.

همچنین در اوایل سال ۱۹۸۱ مجموعه ای از ضوابط طراحی و معادلات مقاومت نهایی برای اتصالات خرپاهای جوش شده در کانادا توسط پکرو همکارانش منتشر شد. کارهای تحقیقاتی پکر و همکارانش همچنان ادامه دارد و تاکنون نیز تحقیقات فراوانی در زمینه مقاومت نهایی و خستگی به انجام رسانده اند.

آئین نامه IIW در سال ۱۹۸۵ طراحی خستگی اتصالات لوله ای براساس تنش نقاط حاد تدوین و متعاقب آن توصیه های طراحی در حالت بارگذاری استاتیکی اعضاء لوله ای شکل را ارائه نمود.

روش های تولید مقاطع HSS

مقاطع HSS به صورت بدون درز همراه با جوشکاری تولید می شوند. مقاطع HSS بدون درز در دو مرحله ساخته می شود، مرحله اول، شامل ایجاد یک سوراخ دایره ای در شمش است و مرحله دوم با ایجاد کشش در سوراخ ایجاد شده، آن را به یک مقطع توخالی دایره ای تبدیل می کند. پس از این فرآیند، لوله ساخته شده از درون غلتک های با شکل مورد نظر در خط تولید، عبور کرده تا مقطع مورد نظر حاصل شود.

امروزه HSS های جوش داده شده با جوش طولی، عمدتا با استفاده از فرآیندهای جوشکاری مقاومت الکتریکی با فرآیندهای جوشکاری القایی ساخته می شوند. ابتدا نوار یا صفحه توسط غلتک به شکل استوانه در آمده و جوش داده می شود. سپس لبه ها گرم شده و به وسیله جوش مقاومت الکتریکی، غلتک ها لبه ها را به هم فشار می دهند و در نتیجه جوش ایجاد می شود. برآمدگی جوش در قمت بیرونی لوله، بلافاصله پس از جوشکاری برش داده می شود. شکل زیر روندی از ساخت این مقاطع را نشان می دهد.

HSS های مستطیل شکل با تغییر شکل HSS های دایره و از طریق عبور این مقاطع از درون غلتک ها ساخته می شود. این فرآیند شکل گیری می تواند گرم یا سرد انجام شود و پس از پایان شکل دهی، درز انتهایی با استفاده از جوش بسته می شود. اگرچه استفاده از مقاطع توخالی جوش داده شده به صورت طولی، معمول است، اما برای ساخت HSS های با ضخامت زیاد، از روش های بدون درز استفاده می شود. مقاطع توخالی مربع یا مستطيل، گاهی با تشکیل یک نوار به شکل مورد نیاز و بستن آن توسط یک جوش واحد، ترجیحاً در وسط صورت می گیرد.

کاربردهای سازه‌ای مقاطع HSS

کاربرد HSS ها زمینه های وسیعی از سازه ها را پوشش می دهد. در برخی از موارد، مقاطع HSS ممکن است به دلیل زیبایی شکل آنها با بیان سبک بودن، مورد استفاده قرار گیرد، در حالی که در موارد دیگر خصوصیات هندسی آنها کاربرد آنها را تعیین می کند. در این قسمت، نمونه هایی برای زمینه های مختلف سازه ها ارائه می­شود.

در ساختمان ها و سالن ها، اعضای HSS عمدتاً برای ستون­ها، سازه های مشبک یا قاب های بام، استفاده می­شود. در معماری مدرن، از آنها به دلایل دیگر ساختاری یا معماری مانند نمای خارجی نیز استفاده می شود.

در این ساختمان، از اعضای HSS با ابعاد 180x100mm از فولاد ضد زنگ استفاده شده است و برای اطمینان از حفاظت در برابر آتش مورد نیاز، درون این مقاطع، آب جریان دارد. برای اطمینان از گردش آب درون آنها، ستون­ها به مخازن آب وصل شده اند. علاوه بر حفاظت در برابر حریق، یک مزیت دیگر این است که به دلیل گردش آب در ستون ها، تغییر شکل ساختمان به دلیل اختلاف دما در اثر آفتاب محدود است.

شبکه های فضاکار ساخته شده از مقاطع HSS استوانه ­ای، بارهای نما و طبقات را به ستون­های اصلی سازه منتقل می­کنند. برای حفاظت در برابر آتش نیز این مقاطع با آب پر شده ­­اند.

استفاده از مقاطع HSS به صورت بیضوی نیز به دلیل زیبایی در معماری، با استقبال زیادی به خصوص از طرف معماران همراه بوده است. شکل زیر فرودگاه شهر مادرید اسپانیا را که با استفاده از این اعضا ساخته شده است، نشان می­دهد.

اتصالات لوله­ ای

سازه های لوله ای با مقاطع دایره  (CHS و تیز گوشه مربع یا مستطیل) (RHS)، به مقیاس وسیعی در سازه ­های دریایی و ساحلی، خرپاهای صفحه ای و فضا کار، برج­های مخابراتی و انتقال نیرو، سازه های بالابر جرثقیل­ها، منابع هوایی فلزی، خرپاهای سازه های با دهانه بلند و وزن سبک استفاده می شوند. همچنین این سازه ها در پل ها، دکل های مورد استفاده در آب اندازی کشتی ها و سازه های مدور تفریحی پارک­ ها بکار برده می­شوند. عوامل متعددی باعث شده است که کاربرد این سازه ها نسبت به سایر سازه های با مقاطع غیر لوله ای برتری داشته باشند از جمله امکانات جوشکاری برای اتصالات سازه های لوله ای، مقاومت پیچشی مناسب لوله ها، تقارن مقطع، کاهش سطح رنگ کاری و خوردگی، بهترین رفتار در مقابل نیروهای هیدرودینامیکی و (Drag) نسبت به سایر مقاطع، سبب برتری کاربرد این سازه ها نسبت به سازه های غیر لوله ای شده است.

سازه های لوله ای از اتصالات لوله ای تشکیل شده اند. این اتصالات از چندین لوله کوچک به نام اعضای مهاری و یک لوله اصلی به نام پایه تشکیل شده است. عضو مهاری به وسیله جوش به سطح خارجی عضو اصلی متصل می­شود. اتصال بين عضو اصلی و مهاری اتصال لوله ای” نامیده می شود که مهم ترین و بحرانی ترین بخش از سیستم سازه ای است. سازه های لوله ای باید طوری طراحی شوند که در برابر حداکثر بارهای وارده در طول عمر خود، پایدار مانده و مقاومت خود را حفظ کنند. بارهای وارده بر سازه های لوله ای شامل بارهای عملیاتی مانند وزن سازه و عکس العمل پی و بارهای محیطی شامل باد، موج و جریان آب.

برای تحلیل و طراحی یک اتصال لوله ای تشخیص نوع اتصال بسیار مهم و تأثیرگذار می باشد. در یک تقسیم بندی انواع اتصالات لوله ای از نظر شکل شامل اتصالات K , N , X , T , Y و KT شكل می باشند ، در تشخیص نوع اتصال علاوه بر شکل ظاهری نحوه انتقال نیرو نیز دارای اهمیت می باشد. برای راحتی در تحلیل و طراحی، اتصالات لوله ای با یک سری پارامترهای هندسی به صورت ساده بیان می شوند. اتصالاتی که دارای قطر، ضخامت و طول متفاوتی باشند و اما پارامترهای هندسی آنها یکسان باشد، دارای مدل یکسان در طراحی خواهند بود. حتی اگر اتصالات دارای مقیاس های متفاوت باشند، نتایج عددی برای پارامترهای هندسی مساوی، در تحلیل ها یکسان می شوند.

هر اتصال همان طور که پیش تر اشاره شد از محل برخورد چند عضو مهاری تشکیل شده است که هر کدام از این اعضا تحت نیروهای مختلف محوری، خمشی و پیچشی می باشند که تمامی این نیروها در محل اتصال باید انتقال یابند. در نتیجه یک توزیع تنش غیریکنواخت را در محل اتصال خواهیم داشت. همچنین پیچیدگی های هندسی اتصال ایجاد تمرکز تنش زیادی در محل اتصال موجب خواهد شد. در نتیجه وجود تنش های بیشتر در محل اتصال باعث می شود که این محل مکان مستعدی برای ایجاد و رشد ترک های ناشی از بارهای وارده باشد. در ضمن علاوه بر تمرکز تنش ناشی از پیچیدگی اتصالات هندسه جوش نیز تمرکز تنش مضاعفی را ایجاد خواهد کرد. از طرفی از آنجایی که اتصال با جوش صورت می گیرد، خود جوش باعث تغییر در مشخصات مکانیکی مصالح خواهد شد و ترد و شکننده شدن ناشی از جوشکاری باعث میشود که ترک های اولیه زودتر پدیدار گردند.

علت اهمیت اتصالات لوله ای در این است که طراحی مطمئن در نهایت به استحکام کافی اتصالات بين المان های لوله ای آن بستگی دارد. به طور کلی دلیل استفاده گسترده از این مقاطع لوله ای به دلیل مزایای زیر می باشد:

1. مقاومت خمشی یکسان نسبت به محورهای مختلف
2.  امکان ساخت قالب های فضایی و خرپایی فضایی بدون بادبندی
3. امکان استفاده از شناوری با بستن دو انتهای لوله
4. مقاومت بیشتر در برابر آتش سوزی در مقایسه با سایر پروفیل ها
5. نسبت بالای مقاومت مکانیکی به وزن

اما مشکل این مقاطع در اتصالات آنها است. رفتار این اتصالات جوشی بسیار پیچیده می باشد. مشکلات اجرایی و تمرکز تنش از مشکلات عمده این اتصالات لوله ای می باشد. در بعضی مواقع نوع اتصال ترکیبی از اتصالات است که باید در صد تأثیر هر کدام مشخص و طراحی شوند. شکل 8 اتصالی را نشان میدهد که ۵۰ درصد اتصال از نوع K و ۵۰ درصد دیگر اتصال ممکن است T/Y به حساب آید.

طبقه بندی اتصالات لوله ای

برای تحلیل و طراحی یک اتصال لوله ای تشخیص نوع اتصال بسیار مهم و تأثیرگذار می باشد. در تشخیص نوع اتصال علاوه بر شکل ظاهری، نحوه انتقال نیرو نیز دارای اهمیت می باشد.

اتصال نوع T,Y

در این نوع اتصال یک عضو مهاری به عضو اصلی متصل می باشد. فرق بين اتصال نوع T و اتصال نوع Y در این است که اتصال نوع T برای عضو اصلی ایجاد خمش و برش می کند، اما اتصال نوع Y علاوه بر ایجاد خمش و برش یک نیروی محوری نیز در عضو اصلی ایجاد می کند. شکل زیر نمونه ای از اتصال لوله ای T و Y را نشان می دهد.

اتصال نوع X

در این نوع اتصالات که از اتصالات پرکاربرد در سازه های واقع در خشکی و فراساحلی است، اعضای مهاری در طرفین عضو اصلی قرار دارند و نیروها در طرفین همدیگر را خنثی می کنند. شکل زیر نمونه ­ای از اتصال لوله­ای X شکل را نشان میدهد.

اتصال نوع K

اتصال نوع K اتصالات نوع K به وفور در اتصالات مقاطع لوله ای یافت می شوند. در این نوع اتصالات دو عضو مهاری به عضو اصلی متصل می باشند که نیروهای دو عضو همدیگر را خنثی می کنند. شکل زیر نمونه ای از اتصال لوله ای شکل را نشان میدهد.

اتصال نوع KT

این نوع اتصال از سه عضو مهاری تشکیل شده است که به عضو اصلی متصل شده اند. مسئله ه­ای که در این اتصالات وجود دارد این است که لزوما هر سه عضو در یک طرف عضو اصلی قرار نمی گیرند.

قابل ذکر است که اتصالات لوله در طبقه بندی های کلی دیگر به اتصالات ساده ، ویژه ، تک صفحه ای و دو صفحه ای نیز تقسیم می شوند. در اتصالات ویژه از سخت کننده ها استفاده میشود.