محدودیت های آیین نامه در وصله پوششی

وصله پوششی در مقابل وصله مکانیکی

مقایسه وصله مکانیکی با وصله پوششی

وصله پوششی در مقابل وصله مکانیکی

پوشش آرماتورها از مدت ها پیش بعنوان روشی موثر و اقتصادی درنظر گرفته شده است، اما درخواست طراحان امروز، اجبار سازندگان بر درنظرگرفتن جایگزین هایی برای وصله پوششی است.

در اغلب سازه های بتنی مسلح، بعضی از آرماتورها بایستی وصله شوند. طول مورد نیاز یک میلگرد می تواند بیش از طول گیرایی فولاد باشد یا به اندازه ای بلند باشد که بتواند به آسانی حمل نمود. در هر دو مورد، نصب کننده های آرماتور کار را دو یا بیشتر قطعه ای که می بایست به هم وصله شوند، به اتمام می رساند.

وصله پوششی، که نیازمند همپوشانی دو میلگرد موازی است، از مدت ها پیش به عنوان روش وصله اقتصادی، موثر مورد پذیرش واقع شده است. وصله پوششی معمولا تماسی است، اما در اعضای خمشی میلگردها می توانند به فاصله ای به اندازه ۶ اینچ جدا از هم قرار گیرند. پیوستگی بین فولاد و بتن بار را از یک میلگرد به بتن و آنگاه از بتن به دیگر آرماتور (به صورت ادامه دار) انتقال می دهد. این انتقال بار با تغییرشکلها یا دندانه های آرماتور تحت تاثیر قرار می گیرد.

در پروژه هایی با اندازه میلگرد کوچک مثل نمره ۸، تنش تسلیم نسبتا پایین در فولاد و ساختمان هایی با ارتفاع ۱۵ طبقه یا کمتر، وصله پوششی در طولانی مدت خوب عمل می کند. در سال های اخیر، اگرچه تغییری وجود داشته است اما با ادامه تحقیقات طراحی های مورد تقاضای بیشتری در بتن مصلح جدید و توسعه طراحی دوگانه سازه های بتنی/فولادی طراحان را مجبور به درنظر گرفتن جایگزین هایی برای وصله پوششی نموده است. قاب های ساختمانی بتنی به سمت ۱۰۰ طبقه و بیشتر رفته است. کاربرد طراحی کنونی برای قاب های سازه ای از اندازه میلگرد ۸ الی ۱۱ با تنش تسلیم ۶۰ یا ۷۵ ksi (کیلوپاسکال بر اینچ مربع) استفاده می کند. و مقاومت های ۸۰۰۰ تا ۱۲۰۰۰ پاسکال بر اینچ مربع در آیین نامه مورد قبول است و بیشتر استفاده می شود. استفاده از بتن های با مقاومت بالاتر طول پوشش کمتر را مجاز می کند. گرچه، این بتن ها بیشتر مستعد شکافته شدن هستند، سوالات زیادی درباره کفایت و قابل اعتماد بودن وصله های پوششی وجود دارد.

بستری از آرماتور های نمره ۱۸ قفل و بست شده، ساخته شده نزدیک Olmstead توسط گروه مهندسی ارتش آمریکا. هر میلگرد از ۵ قسمت تشکیل شده است، به طول ۴۹ تا ۶۰ پا، که انتهای آن با وصله های مکانیکی مخروطی شکل متصل شده است. بااستفاده از یک محرک میلگرد که بصورت خاص طراحی شده و قدرت آن از یک مته حفاری گرفته می شود، کارگران قادرند همزمان بصورت محکم همه ۵ میلگرد را به یکباره متصل کنند. وصله مخروطی شکل به تنظیم شدن وصله ها کمک می کند، زمان وصله شدن از برای هر میلگرد از ۵ یا ۶ میلگرد تا ۲ دقیقه کاهش می یابد. گروه نیاز به اتصال میلگردها تا دستیابی به ۹۰ درصد مقاومت نهایی آن دارند – ksi 81، و الزام دیگری از استاندارد آیین نامه ساختمان دست یابی به مقاومت نسلیم ۱۲۵ درصد برای وصله های مکانیکی است.

محدودیت های آیین نامه در وصله پوششی
محدودیت های آیین نامه در وصله پوششی

محدودیت های آیین نامه در وصله پوششی

کارهای تحقیقاتی روی فولاد مسلح کننده مدتی قبل موسسه بتن آمریکا را متقاعد به ممنوعیت وصله پوششی برای میلگرد های ۱۴ و ۱۸ نموده است، زیرا نیروهای میلگرد برای وصله شدن بتن بزرگ هستند و اثر وصله پوششی را تخریب می کنند. آیین نامه ساختمان ACI 318-95 الزامات بتن مسلح (منابع۱)، نیز اکنون وصله های پوششی را در عضوهای کششی (بخش ۱۲.۱۵.۵) و در مناطق مفصل پلاستیک (بخش ۲۱.۳.۲) ممنوع نموده است.

هیات آیین نامه طرح (BOCA، ICBO و SBCCI) به محدودیت های یکسان توافق دارند. براساس Cagley و Apple (منبع ۲)  این تصمیمات با مسئولیت هیات اجرایی آیین نامه اصول وصله پوششی را زیرسوال برد که دلیل آن ها وجود بتن در انتقال بارها در کشش و برش است. بتن به خصوص در هردوی این ویژگی ها ضعیف هستند.

جایگزین های وصله پوششی

یکی از جایگزین های پوشش وصله نموده میلگرد ها، مماس نمودن و جوش کردن آن ها براساس دستورالعمل انجمن جوش آمریکا است (ACI 318-95، بخش ۱۲.۱۴.۳.۲). جوش کردن اغلب گران است و زمانی مورد اعتماد است که از جوش پذیری با مشخصات خواص شیمیایی آن اطمینان اصل شود.

میلگردها را همچنین می توان با انواعی از اتصالات مکانیکی متصل نمود (ACI 318-95، بخش ۱۲.۱۴.۳). بیشتر این اتصالات خاص است و شامل استوانه ای جهت تنظیم میلگردها و نگهداری آن ها در یک موقعیت می شود. برای اتصالات کششی و برخی اتصالات فشاری، استوانه نیروی فشاری و کششی مستقیما از یک میلگرد به دیگری منتقل می کند. اتصال غلاف (استوانه) به میلگرد با بندکشی، قالب گیری یا پرکردن فضای خالی بین میلگرد و غلاف با یک فلز مذاب برقرار می شود. آیین نامه ساختمان اتصالات را ملزم به تحمل ۱۲۵ درصد مقاوت تسلیم ویژه میلگرد می کند.

وصله های مکانیکی ازدحام آرماتور را کاهش داده و نسبت های فولاد به بتن را بهبود می بخشد. با استفاده از وصله های مکانیکی در تقاطع تیر-ستون طراح آزادی عمل استفاده از میلگردهای با قطر بزرگتر در یک ستون کوچک تر دارد.

مزایای وصله های مکانیکی

مزایای وصله های مکانیکی

وصله های مکانیکی مزایای زیر را به سازندگان ارائه می دارد.

  • استحکام سازه را بهبود می بخشد. وصله های مکانیکی بصورت مداوم مسیر بار مسلح کننده را مستقل از شرایط یا حضور بتن حفظ می کند. مادامی که این وصله ها در مناطقی کششی به اندازه ۱۲۵ درصد مقاومت تسلیم میلگرد را توسعه می بخشند، عملکرد آن نیز در مناطق سخت شونده کرنشی خوب فرض می شود. در کاربرد های لرزه ای، وصله های مکانیکی استحکام سازه ای را زمانی که میلگردها تحت تنش در حدود غیرالاستیک هستند، حفظ می کند.
    صله های پوششی اغلب منطقه مفصل پلاستیک را برخلاف آیین نامه نقض می کند. وصله های مکانیکی را می توان به آسانی خارج از این مناطق تنش بالا قرار داد.
  • اتکایی بر بتن برای انتقال بار ندارد. در مناطق با شرایط یخ و آب شدن و مناطق ساحلی، خوردگی آرماتور می تواند باعث پوسته شدن بتن شود. چون وصله های پوششی بار را از میان بتن اطراف آن منتقل می کند، زمانی که بتن از بین برود، اثر وصله پوششی از بین می رود.وصله های مکانیکی برای انتقال بار به بتن متکی نیست.
  • حذف محاسبات وصله پوششی. وصله پوششی محاسبات اضافی مورد نیاز برای تعیین طول پوشش مورد نیاز و خطاهای محاسباتی ذاتی را دور می زند.
  • کاهش هزینه مصالح. به دلیل اینکه به همپوشانی نیازی نیست، آرماتور کمتری مصرف می شود، هزینه برخی از مصالح کاهش می یابد. این صرفه جویی می تواند بخصوص برای کارهایی که میلگرد نیاز به روکش ایپوکسی دارد، مهم باشد، چون آیین نامه های ساختمانی ملزم به ۵۰ درصد هم پوشانی بیشتر در این گونه آرماتور ها می نمایند.
  • کوپلر ها می توانند به دور میلگردهایی که قابلیت چرخش ندارند، بگردند، مثل میلگردهای قلاب در این ستون
  • کاهش ازدحام آرماتور. یکی از گلایه هایی که کارگران پرداخت بتن مطرح می کنند، این است که نمی توانند بتن را وارد محفظه و قفس آرماتورها کنند. پوشش ها بصورت موثر نسبت فولاد به بتن را دوبرابر می کند و در نتیجه ازدحام مانع از جریان و توزیع درشت دانه ها می شود و کارایی ویبراتور را محدود می کند. اگر چه در  ACI 318-95 نسبت فولاد به بتن کم تر از ۸ درصد قید شده است، پیروی از این قاعده و دستیابی به یک طراحی متعادل به علت وجود میلگردهای اضافی در منطقه پوشش، دشوار است. وصله های مکانیکی بصورت عمده این ازدحام را کاهش می دهد.

ملاحظات مخارج

باوجود اینکه مزیت های وصله مکانیکی به خوبی شناخته شده است، نگرانی اصلی هزینه بالای آن در جایی است که آیین نامه استفاده از وصله پوششی را ممنوع کرده است. اما واقعا هزینه وصله مکانیکی در واقع بیش از وصله پوششی است؟ اگر که اینگونه است، ما به تفاوت آن چقدر است؟

برای پاسخ به این سوال، کاگلی (Cagley) و همکاران، مهندسان سازه ای، دو سازه ای طراحی خودشان را مورد مطالعه قرار دادند (منبع ۲). هر پروژه نیاز به تقریبا ۱۰۰۰۰ یارد مکعب بتن دارد، و هردو براساس الزامات ACI 318-95 طراحی شده است.سازه ی اول یک پارکینگ ۱۲ طبقه در هریسبورگ (Harrisburg) است.  دیگیری یک آزمایشگاه شیمی سه طبقه برای موسسه ملی استاندارد و تکنولوژی (NIST) است. وصله های پوششی در ساختمان پارکینگ استفاده شده، و وصله مکانیکی در سازه NIST ، زیرا در آن پروژه وصله پوششی نسبت فولاد-بتن را بالای حد مجاز ۸ درصد در منطقه وصله می برد. چون تیرهای سازه NIST به وصله نیاز ندارند، یک تحلیل هزینه تنها برای فولاد ستون آن انجام شده است.

کوپلر انتهایی

قلاب های استاندارد مورد نیاز در انتهای آرماتو ر ها اغلب ایجاد ازدحام فولاد می کند و جایگذاری بتن دشوار می شود. بعلاوه، محدودیت های فضا می تواند مانع استفاده از آرماتور بزرگتر می شود و فضای کافی برای قلاب ها و خم های بزرگ که آیین نامه ملزم نموده است، وجود نخواهد داشت. مهارهای مکانیکی مثل مهار مخروطی نشان داده شده از ناحیه انتهایی می تواند در بسیاری از موارد جایگزین قلاب استاندارد شود، با ساده سازی مونتاژ، ساخت و پرداخت بتن (منبع ۳).

مهار نشان داده شده، توسط موسسه اریکو ساخته شد، همانند یک کوپلر مکانیکی بزرگتر ساخته شده تا مهار کافی را فراهم آورد. طراحی شده برای استفاده در ASTM A 615 گرید ۶۰ یا ASTM A 706 آرماتور با سایزهای ۴ تا ۱۸، دستگاه آن به نصب های ماهر نیاز ندارد.

این مهار مخروطی شکل یک سری را در انتهای آرماتور شکل می دهد که جایگزین قلاب استاندارد می شود.

زمانی که توسعه آتی یا تغییرات ساخت پیش بینی می شود، مهار در دو انتها، محکم می شود و یکی از دو انتها قبل از بتن ریزی با استفاده از یک محافظ بند پلاستیکی بسته می شود. بتن می تواند بعدها برای نمایش مهار شکسته شود و در میلگردهای جدید برای توسعه آتی وصله زده شود.

برای تعیین هزینه کار، از پنج پیمانکار نصب آرماتور برای مقایسه هزینه های نصب وصله پوششی و وصله بندکشی شده مکانیکی سوال شد. نتیجه بر این بود که هزینه های نصب برابر بود. با در نظر گرفتن تیرها (معمولا طول پوشش بیشتری دارند) هزینه وصله پوششی بیش از مقدار اشاره شده در جدول است. نتایج نشان می دهد که هزینه های ارتقای یک سازه بااستفاده از وصله های مکانیکی کمتر ۰.۲ درصد کل هزینه ساخت بوده است. با درنظر گرفتن وصله های تیر، مقایسه حتی بیشتر به نفع وصله های مکانیکی بوده است.

گزارش کاگلی (Cagley) نتیجه می دهد که “مزیت های اضافه شده سازه ای و اقتصادی وصله های مکانیکی نسبت به پوشش ها نسبت مزیت به هزینه را بسیار مطلوب نموده است” زیرا ” وصله های مکانیکی به سازه سفتی و استحکام و تدام مسیر بار می دهد که پوشش ها این امر را ارائه نمی دهند”. نویسندگان تحقیقات اضافی را بر عملکرد وصله پوششی با مصالح با مقاومت بالا پیشنهاد نموده اند”.

دیدگاه‌ها بسته شده‌اند.

طراحی و برنامه نویسی : گروه طراحی تک ایده