بررسی اتصالات و جوشکاری سازه های مقاوم به زلزله دربررسی اتصالات و جوشکاری سازه های مقاوم به زلزله در ایران و مقایسه ی آن ها با
استانداردهای جهانی
چکیده
بعد از زلزله ی 1996 نورث ریج معلوم شد که عامل ریزش بسیاری از ساختمان ها و سازه های فلزی شکست در
اتصالات جوشی سازه بوده است. مطالعات گسترده ای در رابطه با طراحی اتصالات جدید و افزایش کیفیت جوش
و FEMA ،AISC صورت گرفت و به صورت استانداردهای لازم الاجرا ارائه گردید. در این پژوهش استانداردهای
در مورد جوشکاری سازه های فلزی در آمریکا با مبحث 10 از مقررات ملی ساختمان (طرح و اجرای AWS
ساختمان های فولادی ایران) و استاندارد 2800 زلزله ایران مقایسه شده است. همچنین نقشه های سازه ای تعدادی از
ساختمان های اسکلت فلزی مورد بررسی قرار گرفته است و با عکس برداری از سازه های فولادی در حال ساخت،
شیوه ی جوشکاری و نوع اتصالات به کار رفته در آن ها با دیگر استانداردهای جهانی مقایسه شده است. این
پژوهش نشان داد جوش ها و اتصالاتی که به عنوان جوش های حساس در سازه های مقاوم به زلزله شناخته می
شوند، اصولاً در نقشه های سازه ای مطرح نمی شوند و نوع طراحی جوش های به کار رفته در آن ها نیز کاملاً
متفاوت با طراحی سایر استانداردهای جهانی است.
کلمات کلیدی: سازه های مقاوم به زلزله، استانداردهای جوشکاری، طراحی اتصالات،
مقدمه
سازه، بخشی از حجم است که بارهای وارده را، تحمل و به صورت مطمئن، به محیط اطراف انتقال می دهد، به
عبارت دیگر، سازه حافظ فرم خارجی اجسام در برابر بارهای وارده است. از سوارکردن پروفیلها و تیرهای فلزی
مختلف بر روی یکدیگر، سازهها ایجاد میشوند. در این میان جوشکاری نقش عمده ای در میان روش های اتصال
دهی پروفایل ها و تیرها دارد.
مطالعه های صورت گرفته روی سازه های فروریخته در جریان زلزله ی نورث ریج کالیفرنیا تاثیر طراحی جوش
قاب های خمشی ویژه) ) SMF و اتصالات را در مقاومت به زلزله ی یک سازه ی فولادی نمایان ساخت. سیستم 1
در طراحی اغلب سازه های نورث ریج به کار رفته بود. این سیستم در سازه هایی با مقاومت بالا در برابر زلزله مورد
.[2] ،[ استفاده قرار می گیرد. با وجود چنین سیستمی بسیاری از اتصالات تیر به ستون جدا شده بودند [ 1
موسسه سازه های فولادی آمریکا ،(AWS بعد از این حادثه انجمن هایی مانند انجمن جوشکاری آمریکا ( 2
که موسسه های تدوین استانداردها و کدهای صنعتی (FEMA و سازمان فدرال مدیریت بحران آمریکا ( 4 (AISC3)
نیز می باشند، درصدد برآمدند تا مقررات جدیدی در رابطه با طراحی جوش و اتصالات و کنترل کیفیت جوش
اعمال کنند.
در ایران دو استاندارد اصلی در زمینه ی طراحی و اجرای سازه های فولادی مقاوم به زلزله، مبحث 10 از مقررات
ملی ساختمان (طرح و اجرای ساختمان های فولادی ایران) و استاندارد 2800 زلزله ایران می باشد. استاندارد
نخستین بار در سال 1367 تهیه شد. اینک این استاندارد به استناد بند « طراحی ساختمان ها در برابر زلزله- آیین کار »
یک ماده ی 3 قانون اصلاح قوانین و مقررات موسسه ی استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران مصوب بهمن ماه 1371
. [4] ،[ به عنوان استاندارد ایران منتشر می شود[ 3
در این پژوهش که با همکاری مرکز مطالعات و برنامه ریزی شهر تهران و شرکت آریا آزمون صنعت انجام
گرفته، سعی شده است تا جنبه های مختلف بحث جوشکاری سازه در استانداردهای ایران و آمریکا مورد بررسی
قرار گیرد و شیوه ی طراحی اتصالات و جوش در سازه های مقاوم به زلزله واکاوی شود.
روش تحقیق
استاندارد های مورد استفاده در این تحقیق عبارت بودند از: مبحث 10 از مقررات ملی ساختمان، استاندارد 2800
در مورد سازه های AISC و استاندارد FEMA 350-353- استاندارد 267 ،AWS D زلزله ی ایران، استاندارد 1.8
مقاوم به زلزله. بعد از استخراج نکات مربوط به جوشکاری سازه های مقاوم به زلزله از استانداردهای مذکور نتایج با
تعدادی از سازه های در دست احداث در سطح شهر تهران مقایسه شد. این سازه ها عبارت بودند از سازه ی برج 37
1 . Special Moment Frames
2 . American Welding Society
3 . American Institute of Steel Construction
4 . Federal Emergency Management Agency
طبقه ی ایرتویا، سازه ی مسجد کوی دانشگاه تهران، سازه ی دانشکده ی برق دانشکده فنی دانشگاه تهران و سازه
ای در خیابان امیر آباد.
نتایج و بحث
مقایسه ی جوشکاری سازه ها در استانداردهای 2800 زلزله ایران و مبحث 10 از مقررات ملی ساختمان ایران با استانداردهای
در مورد زلزله AISC و FEMA ،AWS
می باشد که در ایران تحت عنوان آیین AWS D در مورد جوشکاری سازه 1.1 AWS استاندارد شناخته شده ی
یعنی بخش بارهای تناوبی به صراحت تاکید C نامه ی جوشکاری سازه های فولادی ترجمه شده است. در بخش
در مورد خستگی کم چرخه که مستلزم کرنش های AWS D شده است که دستورالعمل های استاندارد 1.1
پلاستیک می باشد، محدودیت دارد. انجمن جوشکاری آمریکا برای جوشکاری سازه های مقاوم به زلزله استاندارد
دارد. این استاندارد در ایران کاملاً ناشناخته است در حالی که مرجع اصلی برای AWS D دیگری تحت عنوان 1.8
جوشکاری سازه های مقاوم به زلزله می باشد. این استاندارد که در 95 صفحه تهیه شده است دارای 7 فصل و 8
ضمیمه می باشد. با توجه به اینکه سازه های مقاوم به زلزله از نوع قاب های خمشی ویژه هستند و باید حین زلزله
قسمتی از تیر تسلیم شده و ضربه ی زلزله را مستهلک کند، مقررات سخت گیرانه ای در مورد کنترل کیفیت جوش
و به دست آوردن جوشی با چقرمگی بالا که حین زلزله نشکند، در این استاندارد ارائه شده است. از جمله قوانینی
مستندسازی دقیق و تضمین کیفیت جوش، سوراخ ،k در مورد طراحی ورق های پیوستگی، جوش های ناحیه ی
های دسترسی جوشکاری، نواحی ای که باید لقمه و پشت بند جوش برداشته شود، تایید صلاحیت جوشکاران،
دماهای بین پاسی، جوش های حساس و ... بیان شده است. همچنین در ضمیمه های این استاندارد مطالبی در مورد
آزمایش تاثیر حرارت ورودی بر روی جوش های حساس، آزمایش ضربه بر روی جوش هایی مرکب از چندین فلز
پر کننده، آزمایش التراسونیک و معیار پذیرش عیوب، آزمایش ذرات مغناطیسی و معیار پذیرش عیوب و چگونگی
با AWS D اندازه گیری عیوب به وسیله ی آزمایش التراسونیک بیان شده است. تفاوت اصلی استاندارد 1.8
در پرداختن بیشتر به کیفیت و چقرمگی جوش و بعضی نکات خاص در طراحی اتصالات AWS D استاندارد 1.8
.[ تاثیرگذار بر روی مقاومت اتصال به بارهای زلزله، می باشد [ 5
موسسه ی دیگری است که در مورد طراحی و ساخت سازه های مقاوم به زلزله دارای استاندارد است. AISC
عنوان این استاندارد مقررات زلزله برای ساختمان های با سازه ی فولادی می باشد. اگرچه این استاندارد بیشتر با دید
طراحی اعضای سازه تدوین شده است ولی دارای مطالب بسیاری در مورد طراحی اتصالات، جوشکاری و کنترل
کیفیت جوش می باشد. از نکات بارز در این استاندارد پرداختن به بحث مواد مورد استفاده در ساخت سازه، کنترل
کیفیت آن ها و معیارهای پذیرش در یک فصل جداگانه است. اهمیت این بحث در تاثیر گذاری مواد مصرفی و
فلزات پایه در استحکام و چقرمگی جوش می باشد. در این استاندارد جوش های حساس که در هنگام زلزله تحت
کرنش پلاستیک واقع می شوند تعیین شده اند. این جوش ها عبارتند از جوش شیاری با نفوذ کامل اتصال ستون به
صفحه ستون، جوش شیاری با نفوذ کامل وصله های ستون و جوش با نفوذ کامل اتصال بال تیر به ستون. برای این
جوش ها مقدار چقرمگی، نوع بازرسی ها و سکونس جوشکاری تعیین شده است. در این استاندارد به محتویات
نقشه های طراحی سازه، نقشه های کارگاهی و نقشه های نصب اشاره شده است. این نقشه ها باید حداقل دارای
مواردی مانند جاهایی که باید لقمه ی جوش و پشت بند باید برداشته شود، شکل سوراخ دسترسی جوشکاری و
.[ های لازم برای نواحی مختلف اتصال باشند [ 6 NDT
شاید بتوان گفت مفصل ترین دستورالعمل ها در رابطه با طراحی اتصالات، جوشکاری و کنترل کیفیت جوش
FEMA و FEMA 353 ،FEMA آمده است. این سازمان در سه استاندارد اصلی 350 FEMA در استاندارد های
267 طراحی، جوشکاری و کنترل کیفیت جوش را در سازه های با قاب خمشی ویژه را به بحث گذاشته است. در
بیشتر مسائل مربوط به طراحی اجزا و محاسبات مربوط به تنش های زلزله آمده است ولی در کنار آن FEMA 350
اتصال های مورد استفاده در سازه های مقاوم به زلزله، نوع جوش های مورد استفاده در این سازه ها و شیوه ی
تحت عنوان مقررات پیشنهادی و FEMA بازرسی جوش ها نیز به صورت خلاصه ارائه شده اند. استاندارد 353
راهنمای تضمین کیفیت در ساختمان های با قاب های خمشی فولادی مقاوم به زلزله به طور مفصل راجع به مواد
اولیه و الزامات مربوطه، مقررات جوشکاری شامل تایید صلاحیت جوشکاران، دماهای بین پاسی و پس گرم، پشت
بندهای ذوب نشدنی، نگهداری الکترودها و ...، جزئیات اتصالات جوشی، ساخت سازه، کنترل کیفیت و تضمین
کیفیت عملیات ساخت توضیح داده شده است. بخش جزئیات اتصالات جوشی شامل لقمه های جوش، پشت بندها،
نیمرخ های ساخته شده از ورق ها، پنجه ی جوش، سوراخ های دسترسی جوشکاری، سکونس جوشکاری و انواع
روش های اتصال تیر به ستون می باشد. در بخش روش های اتصال تیر به ستون، اتصالات، نوع جوش ها و شیوه ی
بازرسی از آن ها به صورت مفصل و با جزئیات کامل توضیح داده شده است. در بخش تضمین کیفیت این
استاندارد، چک لیست هایی برای بازرسی سازه، ارزیابی سازنده، ارزیابی نصب کننده، ارزیابی آژانس تضمین
تقریباً خلاصه ای از دو FEMA کیفیت، ارزیابی مواد مصرفی و بازرسی جوش آورده شده است. استاندارد 267
استاندارد قبلی و به اضافه ی مطالبی در مورد مقاوم سازی ساختمان های موجود برای مقاومت در برابر زلزله و
.[9] ،[8] ،[ بازرسی و تعمیر سازه هایی که در معرض زلزله بوده اند می باشد [ 7
در مقابل مبحث 10 از مقررات ملی ساختمان و استاندارد 2800 زلزله ی ایران مراجع اصلی برای ساخت سازه
های مقاوم به زلزله در ایران به شمار می روند. مبحث 10 از مقررات ملی ساختمان تقریباً ترجمه ای از استاندارد
در مورد ساخت سازه های معمولی است؛ با این تفاوت که بسیاری از نکات کلیدی در رابطه با مواد مورد AISC
استفاده و طراحی جوش در آن حذف شده است. از آن جا که افرادی که در تدوین این استانداردها نقش داشته اند
بیشتر از منظر مهندسی عمران وسازه به موضوع نگریسته اند، اهمیت مواد مورد استفاده، نوع جوش ها و کنترل کیفی
جوش یا به طور کلی نادیده گرفته شده است یا این که توضیحات اندک و مبهمی در مورد آن ها بیان شده است.
ولی اکنون می دانیم باید کنترل کیفیت و تضمین کیفیت دقیقی صورت گیرد تا مواد با کیفیت پایین وارد پروسه ی
ساخت نشوند. استاندارد 2800 زلزله ی ایران تنها به شیوه ی محاسبات نیروهای زلزله و طراحی اعضا بر اساس آن
پرداخته شده است. ولی مطمئناً اتصالات، جوش ها و کنترل کیفیت یک سازه ی مقاوم به زلزله با یک سازه ی
معمولی تفاوت های بسیاری دارد. عدم پیشنهاد طراحی اتصالات و جوش های مقاوم به زلزله همچنان که در بخش
بعدی اشاره خواهد شد باعث اعمال سلیقه های شخصی در این زمینه شده است؛ به طوری که در ساختمان های
مختلف که کاربرد مقاوم به زلزله دارند طراحی اتصالات با همدیگر متفاوت و در بسیاری موارد اشتباه است.
همچنین از آن جا که برنامهای برای کنترل کیفیت اتصالات و جوشها پیشنهاد نشده است، طبق یک قاعدهی کلی
تنها جوشهای شیاری با نفوذ کامل توسط روش التراسونیک مورد بازرسی قرار می گیرند. در حالی که در
استانداردهای مورد اشاره در بالا برای کلیهی جوشها روشهای مناسب بازرسی و معیارهای پذیرش بیان شده است.
بررسی اتصالات در چند سازه ی مقاوم به زلزله در تهران و مقایسه ی آن ها با استانداردها
همان طور که در قسمت قبلی اشاره شد، در سازه های مقاوم به زلزله چند نوع جوش جزء جوش های حساس به
شمار می آیند که عبارتند از جوش های اتصال ستون به صفحه ستون، وصله ی ستون ها و اتصال بال تیر به ستون. در
استانداردهای جهانی برای اتصال ستون به صفحه ستون جوش نفوذی کامل با چقرمگی بالا با توجه به حداقل دمای
محیط تعیین شده است. اما از آن جا که در استانداردهای ایرانی این مطلب بیان نشده است در اکثر سازه ها از جوش
گوشه برای این اتصال استفاده می شود. نمونه هایی از این جوش ها را می توان در ساختمان 37 طبقه ی برج ایرتویا،
مسجد کوی دانشگاه تهران دید (شکل ( 1)). از جمله دیگر جوش های حساس جوش زیرسری به ستون می باشد
که باید نوع جوش شیاری با نفوذ کامل باشد. در ساختمان برج ایرتویا از جوش گوشه برای برقراری این اتصال
که یک الکترود روتیلی و با چقرمگی پایین است، E استفاده شده است و الکترود پیشنهادی برای آن الکترود 6013
ناحیه ای k است. ناحیه ی k می باشد (شکل ( 2)). از جمله نواحی ای از تیر که نباید جوش داده شود ناحیه ی
نزدیک تقاطع بال با جان تیر است که چقرمگی اش نسبتاً پایین است و جوشکاری آن می تواند موجب ایجاد ترک
در تیر شود که هنگام زلزله رشد کرده و می تواند به ستون آسیب های جدی وارد کند. با توجه به اینکه در
استاندارد 2800 زلزله ایران مطلبی در مورد ساخت سازه وجود ندارد تقریباً در همه ی سازه های مورد بررسی این
ناحیه جوشکاری شده بود (شکل( 3)). از جمله نواحی ای که به اتصال آن خوب توجه نمی شود اتصال تک ورق
برشی به ستون و اتصال جان تیر به ستون می باشد. مطابق استاندارد جان تیر باید به وسیله ی جوش شیاری با نفوذ
نسبی به ستون اتصال داده شود و علاوه بر آن باید جان تیر به وسیله ی یک تک ورق و جوش های گوش های
مربوطه به ستون متصل گردد. در کلیه ی سازه های مورد بررسی در این پژوهش و ازجمله سازه ی دانشکده برق
دانشکده فنی دانشگاه تهران تنها از یک ورقی که آن هم جوش هایش ناقص بود برای اتصال استفاده شده بود
(شکل ( 4)). همچنین برای جوش های این قسمت از اتصال تیر به ستون هیچ نوع آزمایش غیر مخربی در نظر گرفته
نشده بود، در حالی که باید آزمایش های التراسونیک و ذرات مغناطیسی روی آن انجام شود.
نتیجه گیری
با توجه به مقایسه ی استانداردهای معتبر خارجی در مورد مقاوم سازی سازه ها در مقابل زلزله با استانداردهای
ایرانی می توان نتیجه گرفت که عملاً بحث طراحی اتصالات، جوش و کنترل کیفیت جوش در استاندارد 2800
زلزله کنار گذاشته شده و در مبحث 10 مقررات ملی ساختمان به صورت خیلی ابتدایی به آن پرداخته شده است. از
طرفی با توجه به این که مرجع جوشکاری ساختمان در ایران آیین نامه جوشکاری سازه های فولادی می باشد که
می باشد و حوزه ی کاربرد این استاندارد خستگی های کم چرخه که در آن کرنش AWS D ترجمه ای از 1.1
پلاستیک روی می دهد، نیست؛ می توان گفت مرجعی الزام آور برای طراحی جوش و اتصالات برای مقاومت در
برابر زلزله وجود ندارد.
عدم وجود یک مرجع مشخص برای طراحی در برابر زلزله باعث شده است که طراحی اتصالات به صورت
سلیقه ای صورت گیرد و کنترل کیفیت بایسته ای روی جوش های این نوع سازه ها انجام نشود.
تشکر و قدردانی
نویسندگان این مقاله بر خود لازم می دانند از همکاری های مرکز مطالعات و برنامه ریزی شهر تهران و شرکت
آریا آزمون صنعت به خاط همکاری های راه گشایشان کمال تشکر را داشته باشند.
مراجع
[1]. Duane K. Miller “Lessons learned from the Northridge earthquake” Engineering
Structures, 1998, Vol. 20, Nos 4-6, pp. 249-260.
[2]. C.G. Matos & R.H. Dodds Jr. “Probabilistic modeling of weld fracture in steel frame
connections part I: quasi-static loading” Engineering Structures, 2001, 23, 1011-1030.
3]. مقررات ملی ساختمانی ایران، مبحث دهم، "مقررات طرح و اجرای ساختمان های فولادی"، وزارت ]
مسکن و شهرسازی، تهران، 1387
4]. استاندارد ملی ایران 2800 ، تجدید نظر سوم، "طراحی ساختمان ها در برابر زلزله- آیین کار"، موسسه ی ]
استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران، کرج، 1384
[5]. AWS D1.8/D1.8M 1st Edition, “Structural Welding Code Seismic Supplement”, 2005,
American Welding Society, Miami.
[6]. AISC standards, “Seismic Provisions for Structural Steel Buildings”, 2005, American
Institute of Steel Construction, Chicago.
[7]. FEMA 350, “Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame
Buildings”, 2000, Federal Emergency Management Agency, Washington.
[8]. FEMA 353, “Recommended Specifications and Quality Assurance Guidelines for Steel
Moment-Frame Construction for Seismic Applications”, 2000, Federal Emergency
Management Agency, Washington.
[9]. FEMA 267, “INTERIM GUIDELINES: Evaluation, Repair, Modification and Design of
Steel Moment Frames”, 2000, Federal Emergency Management Agency, Washington.
[10]. A.T. Myers, A.M. Kanvinde, G.G. Deierlein, B.V. Fell, “Effect of weld details on the
ductility of steel column baseplate connections”, Journal of Constructional Steel
Research, 2009, 65, 1366-1373.
[11]. Ronald O. Hamburger, “Earthquakes and Seismic Design”, 2009, American Institute of
Steel Construction, Chicago.
الف ب
[ ج [ 10
شکل 1. عدم استفاده از جوش های شیاری با نفوذ کامل در اتصال ستون به صفحه ستون و سفت کننده ها (الف) نقشه ی
سازه ی برج ایرتویا (ب) سازه ی مسجد کوی دانشگاه تهران (ج) عدم مقاومت جوش های گوشه در برابر بارهای زلزله
[ الف ب [ 11
شکل 2. عدم استفاده از جوش های شیاری با نفوذ کامل در اتصال زیر سری به ستون (الف) نقشه ی سازه ی برج
ایرتویا (ب) ترک شروع شده از جوش زیر سری و نفوذ آن به داخل ستون
نباید از جوش گوشه استفاده شود
باید از جوش های شیاری با
نفوذ کامل استفاده می شد
جوش ها باید شیاری با نفوذ
کامل باشند
الف ب
شکل 3. (الف) شیوه ی نادرست جوشکاری ورق پیوستگی به ستون در مسجد کوی (ب) شیوه ی درست جوش های اعمالی
AISC و FEMA در اتصال تیر به ستون و ورق پیوستگی به ستون مطابق استانداردهای
الف ب
شکل 4. (الف) عدم اتصال جان تیر به ستون به وسیله ی جوش شیاری با نفوذ نسبی (ب) کامل نبودن جوش های تک ورق
برشی
نمی بایست k ناحیه ی
جوش می شد
جوش ها باید شیاری
نفوذ کامل باشند
این دو قسمت نیز باید
می بایست جان تیر به جوشکاری می شدند
ستون جوش می شد.ایران و مقایسه ی آن ها با استانداردهای جهانی