دانلود مقاله جوشکاری با قوس الکتریک

بخشی از مقاله

جوشكاري با قوس الكتريك

در جوشكاري با قوس الكتريك كه متداولترين نوع جوشكاري درساختمان سازي است ، اتصال بين مصالح با ذوب كردن لبه هاي درز و سخت شدن بعدي آنها صورت مي گيرد 0 در حين ذوب ، فلز پايه و فلز جوش با يكديگر ممزوج شده و پس از سخت شدن ، اتصال قطعات تامين مي گردد 0

حرارت لازم براي ذوب مصالح ، به وسيله قوس الكتريكي تامين مي شود 0 قوس بين يك مفتول فولادي كه الكنرود خوانده مي شود و فلز پايه تشكيل مي يابد 0 با نزديك كردن الكترود به درز جوش ، قوس ايجاد شده و حرارتي معادل 3600 درجه در نوك الكترود توليد مي شود 0 اين حرارت زياد ، باعث ذوب فلز پايه و نوك الكترود مي شود و يك حوضچه مذاب از هر دو فلز در نوك الكترود به وجود مي آورد 0 با حركت الكترود ، حوضچه مذاب به سمت جلو حركت كرده و حوضچه هاي مذاب پشتي سرد و منجمد شده و باعث امتزاج و يكپارچگي دو فلز در محل درز مي شوند 0

در تمام جوشكاري هاي مدرن امروزي ، براي افزايش كيفيت جوش و جلوگيري از انجماد و زود سرد شدن حوضچه مذاب ، روي الكترود روكش مي شود 0
روكش همراه بافلز پايه و الكترود ذوب شده در حين انجماد به علت سبكتر بودن رو مي آيد و به صورت غشايي روي فلز مذاب در حال سرد شدن را مي پوشاند 0 اين غشاء كه به گل جوشكاري موسوم است ، از هيدراسيون جوش نبز جلوگيري مي كند0
در شكل 1-1 مدار جوشكاري و در شكل 1-2 تشكيل حوضچه مذاب در نوك الكترود نشان داده شده است.

1-2- انواع اتصال جوشي
در شكل 1-3 انواع اتصالات جوشي نشان داده شده است اين اتصالات عبارتند از :
الف : اتصال لب به لب
ب : اتصال روي هم
پ : اتصال سپري
ت : اتصال گونيا
ث : اتصال پيشاني

1-3- انواع جوش
در شكل 1-4 انواع جوش نشان داده شده استكه عبارتند از:
الف : جوش شياري
ب : جوش گوشه
پ : جوش كام
ت : جوش انگشتانه
جوش گوشه متداول ترين نوع جوشدر سازه هاي فولادي است 0 بعد از آن جوش شياري قرار دارد 0 كاربرد جوش انگشتانه و كام به موارد مخصوصي كه در آن مقاومت جوش انجام شده درلبه ها به حد كافي نباشد ، محدود مي شود 0

1-4-جوش گوشه
جوش گوشه متداول ترين جوش در ساختمان هاي فولادي است 0 از اين جوش مي توان در اتصال روي هم ، اتصال سپري و اتصال گونيا استفاده كرد 0 كه نتيجه آن در شكل 1-5 نشان داده شده است 0 در شكل 1-6 مشخصات هندسي جوش گوشه با دو ساق مساوي نشان داده شده است 0 در اين شكل به اختلاف بين اندازه گلو و اندازه ساق توجه داشته باشيد 0 اگراندازه گلو و اندازه ساق جوش گوشه باشد ، داريم :

te = 0.707 D
تنش مجاز جوش گوشه در روي گلو ، مساوي 945 كيلوگرم بر سانتيمترمربع مي باشد كه حاصل ضرب 945 به ارزش جوش گوشه معروف است 0
با توجه به تناسب هندسي بين و ارزش جوش گوشه را مي توان با تقريب مساوي 650 در نظر گرفت كه در آن اندازه ساق جوش است 0 در محاسبات ظرفيت تمام جوش هاي گوشه اين دستنامه ، از مقادير فوق استفاده گرديده است 0 ( فرضيات و روش محاسبه در بخش 1-8 آمده است )
1-5- انواع جوش شياري

براي انجام جوش شياري دردو لبه مجاور هم ، لازم است لبه هاي كار به منظور نفوذ كامل جوش آماده گردند 0 در شكل 1-7 انواع آماده لبه ها ارائه شده است 0
1-6 – علائم جوشكاري
قبل از اينكه يك درز يا اتصال جوش شود ، طراح بايد قادر باشد به طريقي دستورات خود در مورد اندازه و نوع جوش لازم را به نقشه كش و يا سازنده اتصال ارائه نمايد 0 انواع اصلي جوش و بعضي انواع فرعي در بخش هاي قبل موردبحث قرار گرفت 0 اگر براي ساخت هر اتصال جديدي ، به دستورالعمل هاي اختصاصي و مشروحي احتياج بود ، كار طراح در تهيه دستور ساخت يك اتصال ، بسيار مشكل مي شد .

نياز به يك وسيله ساده و در عين حال دقيق براي بر قراري تفاهم ميان طراح و سازنده به استفاده از علائم اختصاري كه نمايشگرانواع جوشها و اندازه هاي آنهاست ، رواج بخشيده است . علائم استانداردي كه در شكل 1-8- به نمايش درآمده است به خوبي هر دستورالعمل اختصاصي مشخص كننده نوع ،اندازه ، طول و محل هر جوش مي باشد.(در شكل 1-9- نشان داده شده است )

ممكن است كه خواننده احساس كند كه تعداد علائم بي جهت زياد است در صورتي كه سيستم نمايش جوشها به تعداد كمي انواع اصلي تقسيم شده كه با سرهم كردن آنها دستورالعمل هاي كامل تهيه ميشوند. هر گاه از يك نوع اتصال هاي خاص در يك سازه استفاده به عمل مي آيد ، ممكن است تنها به نمايش جزئيات تيپ مانند شكل 1-10-الف بسنده كرد. هر گاه اتصالات خاص مورد استفاده قرار گيرند ، بايد جزئيات هر يك را مشخص ساخت تا هيچ ترديدي درباره نقطه نظرات طراح باقي نماند. (شكل 1-10 – ب)

دراين شكل طراح مشخص ساخته كه جوش انگشتانه در كارخانه و بر روي زمين انجام مي گيرد در حالي كه جوش نيم جناغي دو طرفه كه ورق اتصال را به ستون متصل مي سازد ، در محل كارگاه و موقع نصب اجرا مي شود. از آنجايي كه طراح مشخص نساخته كه آيا جوش گوشه متصل كننده نبشي به ورق در كارخانه و محل نصب انجام پذيرد، سازنده اسكلت فلزي آزاد خواهد بود.

در اين مورد خاص بهتر است كه جوش گوشه در كارخانه و يا روي زمين انجام گيرد. زيرا ممكن است جوش انگشتانه در عين عمليات نصب تحت تنش هاي اضافي قرار گيرد. عموما به دليل ملاحظات اقتصادي سازنده تا آنجايي كه مي تواند جوشها را بر روي زمين انجام دهد. بنابر اين مشخص ساختن جوشهايي كه طراح مي خواهد حتما در محل نصب و پاي كار انجام شود ، از اهميت بسياري برخوردار است 0

1-7- الكترود جوشكاري
هر نوع الكترود براي وضعيت خاصي از جوشكاري مناسب است . به همين علت براي هر شرايط جوشكاري بايد الكترود سازگار با آن شرايط انتخاب گردد .
اين سازگاري بايد هم از ديدگاه مقاومت و هم از نظر نوع روكش ، و هم قطر الكترود مورد بررسي قرار گيرد . كتاب هاي راهنماي جوشكاري مي توانند براي انتخاب الكترود مناسب مورد استفاده قرار گيرند .
به عنوان يك اصل عمومي مي توان گفت اغلب فولادهاي نرم ساختماني بايد با الكترودي جوشكاري شوند كه مقاومت كششي نهايي فولاد ميله آن حدود 4200 كيلوگرم بر سانتيمتر مربع باشد . به اين نوع الكترود مطابق استانداردهاي AWS الكترود E60xx اطلاق مي گردد . البته شرايط روكش الكترود در كيفيت جوش به دست آمده تاثير به سزايي دارد . لذا در مورد عملي حتماًٌ بايد به دو رقم ديگري كه پس از عدد 60 در نام الكترود ذكر مي گردد توجه نمود و معناي آنها را مورد تفسير و تدفيق قرار داد .
1-8- تنشهاي مجاز كليه اتصالات عرضه شده در اين راهنما از مبحث 10 مقررات ملي ساختماني ايران ‹‹طرح و اجراي ساختمانهاي فولادي›› انتخاب شده است . به عنوان مثال جوش گوشه معادل مقدار زير انتخاب شده است :

E60 = الكترود
cm²/kg 4200 = Fu
cm² / kg 945 = 4200 × 3 . 0 × 75 . 0 = تنش برشي مجاز در گلوگاه
75/0 ضريب كاهش براي بازديد چشمي مي باشد .
650D # D (Cos45 ) 945 = ارزش جوش
كه همان عدد آشناي طراحان سازه هاي فولادي است .
1-9- حداقل اندازه جوش

حداقل بعد جوش گوشه بايد طبق جدول 1-1 تعيين شود . حداقل بعد جوش تابع قطعه ضخيمتر مي باشد، ضمناًٌ نبايد از ضخامت قطعه نازكتر تجاوز كند .
ضخامت قطعه ضخيمتر حداقل بعد جوش گوشه
تا 7 ميليمتر
7 تا 12 ميليمتر
12 تا 20 ميليمتر

بيش از 20 ميليمتر 3 ميليمتر
5 ميليمتر
7 ميليمتر
8 ميليمتر
جدول 1-1
كلياتي در مورد اتصالات
3-1 انواع اتصال
آيين نامه AISC در بخش هاي طرح به روش تنشهاي مجاز (طرح الاستيك ) و طرح خميري خود ساختمانهاي فولادي را برحسب نوع اتصالاتي كه در آنها بكار مي رود به سه دسته تقسيم مي كند . اين سه دسته عبارتند از :
الف ) ساختمانهاي نوع 1 ، قاب هاي صلب : در اين نوع ساختمانها پيوستگي كامل در محل اتصالات برقرار مي باشد ، به اين ترتيب كه زاويه اوليه بين اعضا متقاطع در محل اتصال ثابت نگاه داشته مي شود . اتصالات اين نوع ، هم در طراحي بروش تنشهاي مجاز و هم در طرح خميري بكار مي روند .
ب ) ساختمانهاي نوع 2 ، قاب هاي ساده : در اين نوع ساختمانها گيرداري چرخشي در انتهاي اعضا تا حدي كه عملاًٌ امكان آن وجود دارد ، پايين نگاه داشته مي شود . اتصال اين اعضا را مي توان ساده محسوب نمود .

اتصالات ساده در طرح خميري كاربرد ندارند ، تنها استفاده آنها مي تواند در مورد اتصال اعضايي باشد كه با صفحه قاب مورد نظر كه قرار است از مقاومت خميري آن استفاده نماييم ، متقاطع هستند .
ج ) ساختمانهاي نوع 3 ، قابهاي نيمه صلب : در اين نوع اتصالات ، گيرداري چرخشي بين 20 تا 90 در صد گيرداري لازم براي جلوگيري از هرگونه تغيير زاويه مي باشد .
آيين نامه AISC بيان مي دارد كه از اتصالات نوع 3 موقعي مي توان در ساختمان استفاده كرد ، كه اتصالات تيرها و تيرچه ها داراي ظرفيت لنگري معلوم و قابل اطمينان مابين ظرفيت اتصالات صلب نوع 1 و اتصالات انعطاف پذير نوع 2 باشد . محدوديت استفاده از اين نوع اتصال عمدتاًٌ به خاطر اشكالاتي است كه در تخمين صحيح درجه گيرداري آنها وجود دارد .
3-2- خط تير

به منظور درك بهتر تفاوت هاي عملي بين انواع اتصالات در AISC ، خط تير كه بوسيله باتو و رووان ابداع گرديده و بوسيله سوروچنيكف بكار گرفته شده ، وسيله ترسيمي خوبي مي باشد .
Ma= Mfa + 2EI /L &a
رابطه بالا را معادله خط تير نامگذاري كرده اند . يك اتصال صلب بايد قادر باشد لنگري معادل M1 (حدود 90 درصد لنگر گيرداري) يا بيشتر را انتقال دهد . اتصال ساده لي از نوع 2 تنها بايد 20 درصد يا كمتر از لنگر Mfa را انتقال دهد .
اتصال ساده تيرها بوسيله نبشي جان
4-1 روش اتصال

اتصالات ساده برشي بكمك نبشي هاي جان كه از نوع 2 اتصالات AISC مي باشند ، براي متصل ساختن تيرها به تيري ديگر يا به بال ستون بكار مي رروند . در اين نوع اتصال ، نبشي بايد تا سرحد امكان انعطاف پذير در نظر گرفته شود . اتصال نبشي به ستون معمولاً در كارگاه و موقع نصب صورت مي گيرد ، ولي اتصال نبشي به تير اغلب در كارخانه انجام مي شود .
وقتي كه از نبشي جان براي اتصال تير به ستون استفاده مي گردد ، فاصله آزادي در حدود 12 ميلي متر در نظر گرفته مي شود تا اگر تير در حدود رواداري هاي مجاز بلند بود ، بدون بريدن سرآن و تنها با جابجا كردن نبشي بتوان آن را نصب نمود .

وقتي كه اتصال دو تير به نحوي انجام مي گيرد كه بالهاي فوقاني هر دو در يك تراز واقع مي گردد ، بايد قسمتي از بال تيري را كه مقصود ايجاد اتصال ساده براي آن است جدا كرده اتصال را برقرار ساخت .
تحقيقات اخير نشان داده است كه خرابي تيرهاي تراز شده ، تحت بارهاي سنگين ، در صورتي كه اتصال جان به نبشي بوسيله پيچهاي پرمقاومت برقرار شده باشد ، ممكن است در نتيجه پارگي جان تير در امتداد سوراخ پيچها صورت پذيرد .
4-2 تنش خمي نبشي هاي اتصال

نيروي كشش T بر واحد طول بالاي نبشي ها از تخمين لنگر وارده محاسبه تنش خمشي حاصل از آن در ساقهاي بيرون آمده نبشي ، بدست مي آيد .

در اتصال بوسيله پيچهاي پرمقاومت نيروي گيره اي حاصل از كشش اوليه ، در محل پيچ يك نوع گيرداري ايجاد مي نمايد و مقطع بحراني خمشي احتمالاًٌ به كنج نبشي انتقال پيدا كرده و در فاصله K از پشت نبشي قرار مي گيرد 0
به خاطر نيروي گيره اي حاصل در اثر كشش اوليه در پيچها ، نبشي پيچ شده مانند يك تير طره اي عمل مي نمايد ، ولي در اتصال جوشي ، به خاطر فقدان چنين نيروئي ، بال نبشي مانند يك تير ساده عمل مي كند .

اتصال به جان تير ورق : براي اين اتصال پيچهاي بالائي كه در دو طرف مشترك مي باشند ، تحت برش مضاعف يا لهيدگي ورق يك سانتي متري كنترل مي شوند . بقيه پيچها تحت برش تك و يا باز لهيدگي ورق 1 سانتي متري كنترل مي گردند .
4-3 اتصال جوشي نبشي جان به تير ( جوش A )
جوش اين اتصال تحت برش خارج از مركز قرار دارد . از آنجا كه هيچ كشش اوليه اي در اتصالات جوشي وجود ندارد ، برخلاف اتصالات پيچي ، خروج از مركزيت بار را هر قدر هم كه كوچك باشد ، بايد در محاسبات وارد نمود .

4-4 اتصال جوشي نبشي جان به تكيه گاه (جوش B )
يكي از انواع اين جوش كه در محل نصب جوشكاري شده ، بنمايش در آمده است . بر سر تحليل ظرفيت اتصالي به اين شكل بين طراحان سازه هاي فولادي توافق كامل وجود ندارد . بلاجت ، مقاومت اتصال را با فرض ايجاد برش خارج از محور در صفحه جوشها بدست مي آورد . با بار خارج از مركز ، نبشي ها در فاصله 6/1 بالاي اتصال نبشي ها به يكديگر فشار وارد مي سازند و تنش پيچشي روي 6/5 بقيه طول بوسيله جوش تحمل مي گردد .

اتصال ساده تير با نبشي نشيمن انعطاف پذير
5-1 كليات
اتصالات ساده با نبشي نشيمن را مي توان به عنوان راه حل جايگزين اتصالات ساده با نبشي جان يا انواع اتصالات ساده كه در آنها از جان تير براي برقراري اتصال استفاده مي گردد ، بكار برد . در اين نوع اتصالات تير بر روي يك نشيمن كه مي تواند تقويت نشده (انعطاف پذير) يا تقويت شده باشد ، قرار مي گيرد . از اين نوع اتصال بايد هميشه همراه با يك نبشي بالائي كه تنها وظيفه آن تامين تكيه گاه جانبي براي بال فشاري است ، استفاده بعمل آيد .

مانند اتصالات ساده با نبشي جان ، منظور از اتصالات نشيمن تنها انتقال واكنش تكيه گاهي قائم است . بنابراين اتصال نبايد در انتهاي تير ، گيرداري قابل توجهي ايجاد كند . به اين دليل است كه نبشي هاي نشيمن و نبشي نگهدارنده بالائي بايد نسبتاًٌ قابل انعطاف باشند .
اما وقتي كه تير به نشيمن خود پيچ مي شود ، چرخش انتهاي تير نيرويي ايجاد مي كند كه تمايل دارد مانع دور شدن تير از ستون گردد . مقطع بحراني خمشي در اين حالت در نزديكي آغاز گردي اتصال ساق افقي به ساق قائم واقع گرديده است . مشابه آن براي نبشي هاي جوش شده ، جوش كامل دو انتهاي نبشي نشيمن ، آنرا متصل به ستون نگاه مي دارد .
5-2 روش طراحي

طراحي يك نشيمن تقويت نشده شامل مراحل زير است :
1- تعيين عرض نشيمن
2- تعيين بازوهاي لنگر e و ef
3- تعيين ابعاد ساق نبشي و اندازه جوش لازم و يا تعداد و محل قرارگيري پيچها
عرض نشيمن بر مبناي طول لازم براي جلوگيري از لهيدگي بين جان و بال N براساس ظوابط آيين نامه AISC بيان مي شود .
طول نبشي نشيمن را معمولاًٌ براي فواصل سوراخ پيچ حدود 9 سانتي متر و 14 سانتي متر بترتيب 15 و 20 سانتي متر در نظر مي گيريم .

اتصالات نشيمن تقويت شده
6-1 كليات
وقتي كه واكنش تكيه گاهي از حد قابل قبول براي نشيمنهاي ساده تجاوز نمود ، مي توان در اتصالات پيچي از نبشي نشيمن تقويت شده ، و در اتصالات جوشي از نشيمن هاي تقويت شده با مقطع T استفاده نمود . وقتي كه واكنش تكيه گاهي تير به حدود 20 تن مي رسد ، ضخامت نبشي نشيمن تقويت نشده بي اندازه بزرگ مي شود . هر چند آيين نامه AISC هيچگونه محدوديتي براي باري كه مي تواند بوسيله نشيمنهاي تقويت نشده تحمل گردد ، قائل نمي شود . نشيمن هاي تقويت شده به منظور انتقال لنگر بكار گرفته نمي شود ، و وظيفه آنها تنها تحمل بارهاي قائم مي باشد . اتصالات نشيمن تقويت شده جزء اتصالات نوع 2 ، AISC بحساب مي آيند ، يعني اتصالات ساده محسوب مي گردند . رفتار نشيمن هاي طاقچه اي جوش شده بوسيله جن سن مورد مطالعه قرار گرفته است .

واکنش های تکیه گاهی به دو صورت ممکن است برنشیمن تقویت شده وارد گردند ؛ در حالت متداول ، واکنش تکیه گاهی بوسیله تیری که جان آن مستقیماًٌ در امتداد سخت کننده قرار گرفته است .
درحالت دوم تیر طوری قرار گرفته است که جان آن با صفحه سخت کننده زاویه 90 درجه می سازد ، یکی دیگر از عوامل تفاوت رفتار نشیمن های تقویت شده , زاویه برش لبه آزاد سخت کننده آن می باشد . اگر زاویه θحدوداًٌ 90 درجه باشد، سخت کننده خود مانند یک ورق سخت نشده تحت فشار یکنواخت ، رفتار می نماید و با ارضا شرایط بند 1.9.1.2 آیین نامه AISC باید از کمانش موضعی جلوگیری کرد.

روش طراحی
گامهاییکه برای طرح یک نشیمن تقویت شده برداشته می شود ، به ترتیب زیر است:
1- تعیین عرض نشیمن
2- تعیین خروج از مرکزیت بار ، es.
3- تعیین ضخامت سخت کند ، ts.
4- تعیین ابعاد نبشی و تعداد و ترتیب پیچها و یا اندازه و طول جوشها .
5- عرض نشیمن برمبنای حداقل طول لازم برای جلوگیری ازلهیدگی بین بال و جان تیر تکیه داده شده ، تعیین می گردد .
به خاطر صلبیت سخت کننده ، قسمتی که تحت بیشترین تنشها قرار دارد ، برخلاف نشیمنهای تقویت نشده ، بجای کناره داخلی ، در لبه خارجی نشیمن واقه می گردد .

استفاده از سخت کننده مثلثی در نشیمن های تقویت شده
وقتی که صفحات سخت کننده در زیر یک نشیمن طاقچه ای بصورت مثلثی برش داده می شود ، صفحه بصورتی متفاوت با حالتی که لبه آزاد موازی جهت بار وارده است ، عمل می نماید . این تفاوت خصوصاً در ناحیه ای بیشترین تنشها رخ می دهند بوجود می آید .
رفتار سخت کننده های مثلثی از لحاظ نظری به وسیله سالمون و بوسیله آزمایش توسط سالمون و بیوتر و اوشریدان مورد بررسی و تحقیق قرار گرفته است . بی دل و همکاران هم توصیه های طراحی در این مورد به عمل آورده اند . برای صفحات سخت شده کوچک که عکس العمل تیر را متحمل می شوند ، در صورت مثلثی بودن ورق سخت کننده ، خطر کمانش و خرابی بسیار کم می باشد.

در حالت کلی ، برش ورق بصورت مثلثی باعث ایجاد اتصالی سخت تر از حالت ورق مستطیلی ، می گردد .

توصیه های دقیق برای تحلیل و طرح
در طی سالیان دراز طرح این نوع از نشیمن ها یا بصورت تجربی و بدون بهره گیری از تئوری و آزمایش انجام می گردید ، و یا اینکه هرگاه طراح دچار شک می شد ، نبشی یا ورق سخت کننده ای در طول لبه آزاد قرار می داد .
صفحه بالایی در سرتاسر طول خود به ستون متصل گردیده است (2) نیروی p گسترده می باشد (لازم نیست که گسترده یکنواخت باشد) و مرکز اثر آن در فاصله ای حدود 0.6 از سطح تکیه گاه واقع شده است و (3) نسبت b/a یعنی طول لبه بارگذاری شده به لبه تکیه داده شده بین 5/0 و 2/0 قرار دارد .

مقاومت خمیری صفحات سخت کننده نشیمن
بیدل پیشنهاد می نماید که برای رسیدن به حداکثر مقاومت خمیری صفحات نشیمن تقویت شده ، نسبت b/t را باید به حدود 3/1 نسبتی که برای رسیدن لبه آزاد به تنش جاری شدن قبل از کمانش ، لازم دارد ، محدود نمود . نتایج آزمایشها نشان می دهد که به دلیل مقاومت بعد از کمانش می توان به مقاومتهای نهایی حداقل 6/1 برابر مقاومت کمانش دست پیدا کرد . برای اطمینان از حصول به ظرفیت خمیری نشیمن تقویت شده ، شاید واقع بینانه آن باشد که از مقادیر محدودکننده ای معادل نصف مقادیر استفاده کرد . برای تعیین مقاومت خمیری صفحات سخت کننده نشیمنهایی که در ساختمانهای با قاب صلب بکار برده می شوند ، می توان از روشی که توسط بیدل و همکاران او پیشنهاد شده ، استفاده کرد .

اتصالات صلب تیر به ستون
از آنجائیکه اکثر لنگر خمشی تیر به صورت یک زوج نیرو در بال های کششی و فشاری تیر با بازوی تقریباًٌ مساوی ارتفاع تیر حمل می گردد ،نقش اصلی یک اتصال صلب فراهم آوردن امکاناتی برای انتقال این نیروهای محوری می باشد . هم چنین از آنجائیکه اکثر نیروی برشی توسط جان تیر حمل می گردد ، پیوستگی کامل اتصال ایجاب می کند که نیروی برشی مستقیماً از جان انتقال پیدا کند .

در یک اتصال صلب تیر به ستون ، تیرها ممکن است از دو طرف به هر دو بال ستون متصل شده باشند و یا فقط به یک بال ستون متصل شوند . هم چنین ممکن است ، تیرها از یک یا دو طرف به جان ستون بطور صلب متصل شده باشند . اگر در یک سیستم قاب صلب ، تیرها فقط از دو طرف بردوبال و یا جان متصل شده باشند (البته نه با هم) ، سیستم ، قاب صلب دو طرفه یا صفحه ای خوانده می شود . سیستم قاب صلبی که شامل اتصالاتی باشد که در آن تیرها از چهار طرف بردوبال و جان ستون متصل شده باشند ، بنام قاب صلب فضایی یا چهارطرفه خوانده می شود .

هدف اصلی در طرح یک اتصال صلب ، انتقال نیروهای موجود از طریق اتصال بدون هرگونه تغییر شکل موضعی ناشی از این نیروها می باشد . استفاده از اتصالات صلب در قاب های سازه های فولادی دو فایده دارد ؛ اول اینکه از طرح و محاسبه پلاستیک که اقتصادی تر می باشد ، می توانیم استفاده نماییم ؛ و دیگر اینکه اگر از طرح و محاسبه الاستیک استفاده کرده باشیم ، در صورت فشرده بودن تیرهای متصل شده به ستون ، می توانیم از ده درصد کاهش مجاز لنگر خمشی و ده درصد افزایش تنش خمشی مجاز استفاده نماییم . در هر دو حالت ، اتصال باید قادر باشد که تا ظرفیت پلاستیک اعضای متصل شده به آن بار انتقال دهد و هم چنین آنقدر شکل پذیر باشد تا بتوانند دوران های مفصل پلاستیک را تحمل کند . آزمایش های انجام شده ، توانایی اتصالات صلب را برای هر دو منظور فوق به اثبات رسانیده اند .
.

سخت کننده های افقی در ناحیه فشاری اتصال
از آنجائیکه در یک اتصال صلب ، نیروهای موجود در بال های تیر بصورت نیروهای فشاری و کششی داشته باشیم . این سخت کننده ها در ناحیه ای که نیروی بال فشاری می باشد ، از لهیدگی جان ستون و در ناحیه ای که نیروی بال کششی است ، از تغییر فرم بال ستون جلوگیری می نمایند .

سخت کننده در ناحیه کششی اتصال
در اثر نیروی کششی ناشی از بال کششی تیر ، بال ستون به طرف بیرون کشیده شده و تغییر فرم می دهد . با استفاده از یک تحلیل براساس تئوری خطوط گسیختگی برای ورق بالی به پهنای q و طول p ، ظرفیت باربری نهایی آن در مقابل نیروی کششی بال کششی به صورت زیر در می آید .

استفاده از سخت کننده های قائم و سخت کننده های T
گاهی مواقع لازم می گردد که در اتصالات صلب تیر به ستون از ورق قائم و یا نیمرخ T استفاده نماییم . این کار به خصوص در سیستمهای چهارطرفه که در آن تیرها به نیمرخ های T متصل می شوند ، بسیار مفید خواهد بود . تحقیقات انجام شده نشان می دهد که یک سخت کننده قائم که به لبه های بال ستون جوش شده است ، به اندازه نصف جان موثر است .
وقتی که از نیمرخ های T استفاده می نماییم ، اتصال ساق آن به جای ستون از کمانش کلی آن جلوگیری می کند .
برای طراحی سخت کننده های T و اتصال آن وقتی که تیری به آن اتصال می یابد ، نکات مخصوصی را باید در نظر گرفت . اگر پهنای بال تیر مساوی پهنای سخت کننده Tباشد .

ورق های کششی فوقانی
وقتی که تیر به بال ستون متصل می شود و ستون توسط سخت کننده های قائم یا افقی تقویت می شود و یا وقتی که تیر از طریق سخت کننده های قائم T به جای ستون متصل می شود . یک وسیله ساده برای انتقال لنگر از تیر به ستون استفاده از یک ورق کششی در بالای تیر می باشد . این ورق کششی می تواند در ترکییب با یکی از حالات زیر بکار رود :
(1) یک ورق فشاری تحتانی و نبشی یا ورق جان به منظور جذب نیروی برشی
(2) یک نبشی نشیمن
(3) یک نشیمن تقویت شده
استفاده از وصله های T در اتصالات صلب
استفاده از وصله های T در اتصالات صلب پیچی بسیار معمول است . در این نوع اتصال نیروی کششی بال توسط یک نیمرخ T به ستون منتقل می شود . با توجه به نحوه اتصال نیمرخ T به ستون دیده می شود که در اثر نیروی کششی در بال نیمرخ T ایجاد خمش و تغییر شکل زیاد می شود که به آن عمل اهرمی شدن می گویند .
اتصال مستقیم تیر به ستون
به جای اینکه اتصال تیر به ستون توسط ورق ها یا نیمرخ های واسطه انجام پذیرد ، می تواند با جوش مستقیم تیر به ستون صورت بگیرد . در این صورت جان و بال ستون را باید در مقابل اثرات ناشی از لنگر منتقله از تیر به ستون کنترل گردند . البته چنین اتصالی به خاطر اینکه در عمل نمی توان طول یک تیر را دقیقا مساوی فاصله تودلی دو ستون نصب شده برش داد دارای ارزش عملی زیادی نمی باشد .

اتصالات تیرهای یکسره
تیرچه ها در محل تقاطع با شاهتیرها می توانند بطور پیوسته به یکدیگر متصل شوند.در شکل الف بال فوقانی تیرچه و قسمتی از جان واقع در زیر آن طوری بریده شده اند که بتوانند مستقیما توسط جوش لب به لب به بال شاه تیر جوش شوند . در اشکال ب و پ و ت جان تیر طوری بریده شده است که بال فوقانی تیرچه بر روی بال فوقانی شاه تیر قرار گیرد . این روش کمک بسیاری به آسانتر کردن نصب می نماید . در اتصال پ ورق های اضافی در امتداد بال فوقانی تیرچه پس از جوش بال فوقانی به شاه تیر مورد استفاده قرار گرفته است . این ورق های اضافی باعث بالا بردن اساس مقطع تیر در ناحیه لنگر خمشی منفی می شوند . و اندازه تیرچه را در سایر مناطق کاهش می دهند این نبشی دو کار انجام می دهد .
الف : عمل نصب را آسان می کند .
ب : یک ورق پشت بند در زیر جوش شیاری بال تحتانی تیرچه به جان شاه تیر تشکیل می دهد . اگر تیرها بر یکدیگر عمود باشند ورق های اتصالی فوقانی طوری می توانند طراحی گردند که تیرچه ها و شاه تیرها را در بالا به یکدیگر یکپارچه و محکم نمایند .
جوش لب به لب بال ها یا جدا کردن بال در محل تقاطع

در این جوشکاری از یک ورق پشت بند به ضخامت 3 میلی متر و به پهنای 25 میلی متر استفاده شده است که بوسیله چکش کاری به شکل مناسب در آمده است .

با وجود اینکه این روش مشکل و و پرکار بنظر می رسد باید در نظر داشت که این نوع جوش لب به لب مقاطع نورد شده با بال باریک شونده انتقال مقطع یکنواخت تری نسبت به اتصال مرسوم و متداول تیر به ستون با ورق فوقانی دارند .

اتصالات زانویی در قابهای صلب
در طراحی قابهای صلب به روش طرح لاستیک و نیز طرح خمیری ، انتقال قابل اطمینان تنش در تقاطع تیر و ستون از اهمیت ویژه ای برخوردار است . وقتی اتصال اعضاء به شکلی است که جانهای آنها در صفحه قاب قرار می گیرد . اتصال را معمولا زانویی می نامند . زانوهای متداول عبارتند از زانوی چهارگوش با یا بدون سخت کننده قطری ، زانوی چهار گوش همراه با لچکی ، زانوی ماهیچه ای مستقیم و زانوی ماهیچه ای منحنی .

برای تحلیل لاستیک قابهای صلب ابعاد هندسی قاب با توجه به محور مرکزی قاب تعیین می گردد . در قابهای دارای ماهیچه محور مرکزی قاب در محدوده ماهیچه ها دارای شکستگی یا انحنا خواهد بود که در عمل از این انحنا صرف نظر کرده و محور قاب را مستقیم فرض می نمایند .

انتقال برش در زانوهای چهار گوش بدون لچکی یا ماهیچه
در طرح یک قالب صلب با زانوهای چهار گوش ممکن است دو نیمرخ نورد شده به نمایش آمده با زاویه قائم به یکدیگر برخورد نمایند.یک تحلیل از قاب چه لاستیک و چه خمیری تعیین می نماید که چه لنگرها و برشهایی بر کناره های محدوده زانو اثر می نماید . نیروهای وارد بر بالها باید به صورت برش به جان زانویی انتقال پیدا نمایند .

زانوهای ماهیچه ای مستقیم
زانوهای ماهیچه ای مستقیم که گاهی ماهیچه های باریک شونده نیز نامیده می شوند. ممکن است تا فاصله قابل توجهی به داخل دهانه گسترش یابند . در این صورت این ماهیچه ها در حقیقت جزء اتصال نبوده بلکه قسمتی از مقطع متغیر قاب می باشد . در طرح ماهیچه های باریک شونده سه عامل باید مورد توجه قرار گیرند . 1) لنگر خمشی در طول منطقه باریک شونده 2) انتقال تنشهای برشی و نیروهای بال در محل و در مجاورت مقاطع ماهیچه ای . و 3) مقاومت در برابر کمانش موضعی و کمانش پیچشی جانبی .

اتصالات پای ستون
در طراحی اتصال پای ستون دو شرط اصلی زیر باید تامین گردد . الف ) نیروی فشاری موجود در بال ها و جان ستون طوری باید توسط ورق پای ستون در شالوده گسترش پیدا کند که تنش فشاری تماسی کمتر از مقادیر مجاز توصیه شده توسط آیین نامه ها شود . ب ) ورق پای ستون و ستون کاملا به بتن شالوده مهار گردد . در تحلیل دقیق قابها تخمین سختی دورانی اتصال پای ستون ( شامل صفحه پای ستون،پیچ های مهاری و شالوده بتنی ) که به زبان دیگر درجه گیرداری اتصال پای ستون خوانده می شود اجتناب ناپذیر است .
صفحات پای ستون که تحت تاثیر بار محوری تنها قرار دارند .
روشی که در اینجا برای محاسبه صفحات پای ستون تحت تاثیر نیروی محوری تنها ارائه می شود روشی است که توسط کتاب دستی آیین نامه AISC توصیه شده است.
اتصال ورق پای ستون به شالوده
ورق پای ستون توسط 2 تا 6 پیچ مهاری ( معمولا چهار پیچ در چهار گوشه آن ) به شالوده بتنی مهار می شود . در صورت مفصلی بودن پای ستون هیچگونه نیرویی به این پیچهای مهار وارد نمی شود . فقط در هنگام نصب ستون ممکن است بر این پیچها نیرو وارد گردد که این مسئله نباید از طرف مهندس محاسب نادیده گرفته شود . در ساختمانهای معمولی قطر این پیچها حدود 18 تا 20 میلیمتر در نظر گرفته می شود و با افزایش اهمیت ساختمان قطر آن بزرگتر در نظر گرفته می شود . سر پیچهای مهاری حدود 10 تا 15 سانتیمتر دنده می شود .

اتصال ستون به ورق پای ستون
در اتصال مفصلی پای ستون فقط نیروی محوری از ستون به ورق پای ستون منتقل می شود . انتهای ستون که با ورق پای ستون در تماس است . باید به صورت گونیا بریدعه شده و سنگ زده شود تا در تماس کامل با ورق پای ستون قرار بگیرد . در چنین حالتی اکثر نیروی محوری توسط فشار تماسی منتقل می شود و نبشی ها و یا جوش فقط عمل نگهداری و انتقال نیروی برشی را بر عهده می گیرند . در صورتی که انتهای ستون سنگ زده نشود ، جوش و نبشی های اتصال باید بتوانند صد در صد نیروی محوری را انتقال دهند . به عنوان یک طراحی محافظه کارانه بهتر است که در محاسبه جوش ها و نبشی های پای ستون صد در صد نیروی محوری را در نظر گرفت و از طرفی پای را نیز کاملا گونیا و سنگ زده ساخت .
استفاده از ورق های سخت کننده در اتصال پای ستون

گاهی مواقع به منظور کم کردن ضخامت ورق پای ستون از ورق های سخت کننده مثلثی یا ذوزنقه ای در اتصال پای ستون استفاده می شود .
اتصالات پای ستون که تحمل لنگر خمشی می نمایند
اتصالات پای ستون علاوه بر نیروی محوری لنگر خمشی هم تحمل می کنند . برای فهم دقیقتر این موضوع این مسئله را در دو قسمت تحت مطالعه و بررسی قرار می دهیم : انتقال نیرو از ستون به ورق پای ستون و انتقال نیرو از ورق پای ستون به شالوده .

انتقال نیرو از ستون به ورق پای ستون
هرگاه به انتهای ستون ترکیب نیروی محوری فشاری P و لنگر خمشی M وارد آید بهتر آن است که اثر آنها را به صورت یک نیروی فشاری تنها با خروج از مرکزیت e نمایش دهیم .

بدون توجه به طرز نمایش نیروها در این حالت مقطع ستون تحت دو سری تنش قرار خواهد داشت . یکی تنش حاصل از نیروی محوری فشاری و دیگری تنش حاصل از اثر لنگر خمشی.

انتقال نیرو از ورق پای ستون به شالوده
رفتار ورق ستون در این حالت بسیار شبیه به رفتار ستونهای بتن مسلح تحت تاثیر نیروی محوری و لنگر خمشی می باشد . نیروی محوری فشاری تولید تنش فشاری تماسی بین ورق پای ستون و سطح تماس شالوده می نماید . با تاثیر لنگر خمشی تنش فشاری در ناحیه کشش لنگر خمشی کاهش می یابد . و با افزایش مقدار لنگر خمشی این تنش به صفر می رسد و با افزایش بیشتر لنگر خمشی بین ورق پای ستون و شالوده جدایی حاصل می شود . و در این حالت است که پیچهای مهاری اتصال پای ستون تحت تاثیر نیروی کششی قرار می گیرند تا از بلند شدن ورق پای ستون جلوگیری نمایند . در ناحیه فشار لنگر خمشی همواره تنش فشاری خواهیم داشت که مقدار آن در تار انتهایی فشاری حداکثر است .