تأثیر پیچ و مهره در عملکرد لرزه‌ای سازه‌ها
در دنیای مهندسی سازه، گاهی یک جز‌ء کوچک مانند پیچ و مهره، نقشی به اندازه‌ی کل سازه بازی می‌کند. طبق گزارش مؤسسه AISC، بیش از ۳۰٪ آسیب‌های سازه‌های فولادی در زلزله‌ها به دلیل ضعف در اتصالات پیچ و مهره‌ای یا طراحی نادرست آن‌ها رخ داده است. عددی که به ظاهر ساده است، اما در واقع مرز بین فروریزش و پایداری است.
در پروژه‌های مقاوم‌سازی شهری، بارها دیده‌ایم که انتخاب اشتباه نوع پیچ، فاصله بین پیچ‌ها، یا گشتاور نصب می‌تواند مقاومت لرزه‌ای سازه را تا ۴۰٪ کاهش دهد. این یعنی حتی بهترین فولاد جهان، اگر با اتصال ضعیف بسته شود، ارزشی ندارد.
در این مقاله بررسی می‌کنیم چرا پیچ و مهره در زلزله مهم‌تر از چیزی هستند که فکر می‌کنیم — از رفتار مکانیکی در لرزش‌های متناوب گرفته تا انتخاب نوع اتصال برای مناطق لرزه‌خیز. اگر مهندس سازه، ناظر یا تولیدکننده هستید، این مطلب را از دست ندهید.
چرا بررسی عملکرد پیچ و مهره در زلزله اهمیت دارد؟
وقتی زمین می‌لرزد، اولین چیزی که تحت فشار قرار می‌گیرد، اتصالات هستند. اتصالات پیچی به دلیل قابلیت جذب انرژی و سهولت در تعمیر، در سال‌های اخیر جایگزین اتصالات جوشی در بسیاری از سازه‌های مدرن شده‌اند. اما این تغییر، مسئولیت مهندسین را سنگین‌تر کرده است.
نقش اتصالات در پایداری کلی سازه
یک سازه هرچقدر هم طراحی پیچیده‌ای داشته باشد، اگر در نقاط اتصالش ضعف داشته باشد، مانند زنجیری است که حلقه‌ای سست دارد. اتصالات پیچ و مهره‌ای، نقاط انتقال نیرو از اعضای فولادی (تیر و ستون) هستند. در بارگذاری‌های لرزه‌ای، نیروهای رفت‌وبرگشتی باعث تمرکز تنش در این اتصالات می‌شوند.
سه نوع اتصال رایج داریم:
- اتصال برشی ساده (Shear Connection) – انتقال بارهای عمودی.
- اتصال خمشی (Moment Connection) – مقاومت در برابر لنگر خمشی.
- اتصال ترکیبی (Hybrid Connection) – ترکیبی از دو حالت بالا.
تحقیقات AISC نشان می‌دهد که انتخاب اشتباه نوع اتصال، حتی در طراحی دقیق، می‌تواند منجر به شکست زودرس در چرخه‌های زلزله شود. در واقع، پیچ‌ها فقط قطعات اتصال نیستند؛ آن‌ها ضربه‌گیرهای سازه‌اند.
عوامل شکست سازه‌ها در زلزله‌های گذشته
تجربه زلزله‌های بزرگ، از کوبه ژاپن تا بم ایران، نشان داده است که در بسیاری از سازه‌ها شکست اتصال پیچ و مهره‌ای عامل اصلی تخریب بوده است. علت؟ اغلب ساده‌تر از آن چیزی است که فکر می‌کنیم: سفت‌نشدن کافی پیچ، استفاده از فولاد کم‌کیفیت، یا فاصله‌ی نامناسب پیچ‌ها.
جدول زیر نمونه‌ای از آسیب‌های واقعی ثبت‌شده است:
| نام زلزله | نوع شکست اتصال | علت فنی اصلی |
| بم (۱۳۸۲) | شکست برشی در تیر | فاصله زیاد بین پیچ‌ها |
| کوبه (۱۹۹۵) | گسیختگی خمشی در ستون | فولاد ترد و اتصال جوشی ضعیف |
| کرایست‌چرچ (۲۰۱۱) | جداشدگی مهره‌ها | گشتاور نصب ناکافی |
یک نکته جالب از پروژه‌ای در تهران: پس از تست آزمایشگاهی روی نمونه‌ی تیر-ستون با پیچ‌های معمولی و مقاوم، مشخص شد نمونه‌ی مقاوم در برابر زلزله ۲.۸ برابر بیشتر انرژی جذب می‌کند. این یعنی در طراحی سازه، انتخاب پیچ درست از تغییر شکل تا نجات جان، نقش دارد.
چگونه یک اتصال ضعیف می‌تواند رفتار کل سازه را تغییر دهد
در مهندسی لرزه‌ای، اصطلاحی داریم به نام Weak Link Theory؛ یعنی سازه به اندازه‌ی ضعیف‌ترین بخشش مقاوم است. اگر در یک قاب فولادی، تنها یک اتصال از پیچ‌های مناسب استفاده نکند، نیروی لرزه‌ای مسیر خود را تغییر داده و کل سازه دچار رفتار غیرخطی غیرقابل‌کنترل می‌شود.
در شبیه‌سازی‌های نرم‌افزاری، کاهش سختی فقط ۵٪ در اتصال می‌تواند باعث افزایش ۳۰٪ تغییر مکان جانبی شود. این عددها در مقیاس شهری، یعنی خطر. بنابراین، یک اتصال ضعیف می‌تواند نقطه‌ی آغاز فروپاشی کل سیستم سازه‌ای باشد.
اصول علمی عملکرد پیچ و مهره در شرایط لرزه‌ای
اتصالات بولتی در زلزله مانند مفصل‌های زنده عمل می‌کنند؛ باید هم سخت باشند، هم انعطاف‌پذیر. این دو ویژگی متضاد، رمز موفقیت طراحی لرزه‌ای است.
رفتار مکانیکی پیچ تحت نیروهای متناوب
وقتی زلزله رخ می‌دهد، پیچ‌ها نه‌تنها نیروی فشاری بلکه نیروهای برشی و کششی متناوب را نیز تحمل می‌کنند. در چرخه‌های لرزه‌ای مداوم، پدیده‌ی «خستگی فلز» (Metal Fatigue) ایجاد می‌شود که در پیچ‌های بی‌کیفیت می‌تواند منجر به ترک ریز در بدنه شود.
مطالعات Z. Jiang در سال 2020 نشان داد که پیچ‌های پرمقاومت کلاس 10.9، در مقایسه با پیچ‌های معمولی 8.8، تا ۲۵٪ مقاومت بیشتر در برابر خستگی چرخه‌ای دارند.
“The seismic resilience of bolted connections depends not only on the material strength but also on the pre-tension accuracy.”
(AISC Research Library, 2023)
در طراحی، توجه به گشتاور سفت‌کردن (Torque) اهمیت حیاتی دارد. اگر گشتاور بیش از حد باشد، احتمال شکست شکننده زیاد می‌شود؛ اگر کم باشد، اتصال شل می‌شود و اصطکاک از بین می‌رود. تعادل در این میان، همان چیزی است که یک مهندس کارآزموده به‌خوبی می‌فهمد.
چگونگی انتقال نیرو از طریق پیچ به اعضای سازه
پیچ و مهره‌ها در واقع میانجی انتقال نیرو هستند. در یک اتصال خمشی، تنش در ناحیه‌ی بالای تیر متمرکز می‌شود و پیچ‌های بالایی نیروی کششی را تحمل می‌کنند، در حالی که پیچ‌های پایینی تحت فشار قرار دارند.
| نوع نیرو | رفتار پیچ | پیامد طراحی |
| برشی | لغزش بین ورق‌ها | نیاز به سطح تماس زیاد |
| کششی | افزایش طول و احتمال شکست ترد | نیاز به فولاد با چقرمگی بالا |
| خمشی | ترکیبی از کشش و فشار | نیاز به آرایش متقارن پیچ‌ها |
طراحی مناسب باید این نیروها را در تعادل نگه دارد. استفاده از واشر سخت‌کاری‌شده یا صفحه توزیع‌کننده نیرو (Load Plate) می‌تواند تنش‌های موضعی را کاهش دهد.
تفاوت پیچ‌های پرمقاومت و معمولی در زلزله
پیچ‌های پرمقاومت (High-Strength Bolts) از فولاد آلیاژی ساخته می‌شوند و توان تحمل تنش تا بیش از 1000 مگاپاسکال دارند. در مقابل، پیچ‌های معمولی فقط تا حدود 600 مگاپاسکال ظرفیت دارند.
در زلزله، این تفاوت عددی به معنای تفاوت در جان افراد است. پیچ‌های پرمقاومت با خاصیت الاستیک بالا، پس از اعمال نیرو به حالت اولیه بازمی‌گردند، در حالی که پیچ‌های معمولی دچار تغییر شکل دائمی می‌شوند.
مزایا:
- مقاومت بالا در برابر خستگی چرخه‌ای
- کاهش تغییرمکان جانبی سازه
- عمر بیشتر در محیط‌های خورنده
معایب:
- هزینه بالاتر
- نیاز به نصب دقیق‌تر و ابزار خاص
اما اگر پروژه در منطقه لرزه‌خیز (Seismic Category C2) باشد، استفاده از این پیچ‌ها دیگر انتخاب نیست؛ الزام است.
مقایسه اتصالات پیچ و مهره‌ای با سایر روش‌ها
در طراحی لرزه‌ای مدرن، دیگر انتخاب بین «خوش‌دستی» و «مقاومت» نیست؛ بلکه انتخاب بین «ترمیم‌پذیری» و «ریسک‌پذیری» است.
| معیار | اتصال جوشی | اتصال پیچی |
| سرعت اجرا | کند | سریع |
| رفتار لرزه‌ای | ترد | شکل‌پذیر |
| هزینه تعمیر | زیاد | پایین |
| کنترل کیفی | دشوار | آسان |
مطالعات Astaneh-Asl نشان داده که سازه‌های فولادی با اتصالات بولتی، در زلزله‌های گذشته عملکرد بسیار بهتری نسبت به سازه‌های جوشی داشته‌اند.
آزمون‌ها و داده‌های آزمایشگاهی معتبر
پژوهش‌های انجام‌شده در دانشگاه برکلی و AISC نشان می‌دهد که اتصالات بولتی با طراحی لرزه‌ای مناسب، می‌توانند تا ۸۰٪ ظرفیت اولیه‌ی خود را در چرخه‌های تغییرشکل بالا حفظ کنند.
به‌طور خاص، در آزمون‌های ۱۲ نمونه‌ی واقعی تیر–ستون، نمونه‌هایی که از پیچ‌های کلاس 10.9 استفاده کرده بودند، دچار شکست پلاستیکی کنترل‌شده شدند، نه گسیختگی ناگهانی. این ویژگی در طراحی لرزه‌ای، یک مزیت طلایی است.
جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
در یک جمله: پیچ و مهره‌های درست، جان می‌فروشند نه فقط فولاد.
طراحی لرزه‌ای اتصالات بولتی، ترکیبی از علم، تجربه و دقت است.
✅ نکات کلیدی:
- همیشه از پیچ‌های پرمقاومت در مناطق زلزله‌خیز استفاده کنید.
- گشتاور نصب را طبق استاندارد AISC یا مقررات ملی ایران تنظیم کنید.
- فاصله پیچ‌ها را نه زیاد و نه کم طراحی کنید؛ هر دو خطرناک‌اند.
- کیفیت نصب، به‌اندازه کیفیت فولاد اهمیت دارد.
در پایان، اگر در حال طراحی یا اجرای سازه‌ای در منطقه لرزه‌خیز هستید، مشاوره با متخصصان حوزه اتصالات پیچ و مهره لرزه‌ای را جدی بگیرید. یک تماس ساده، شاید تفاوت بین پایداری و فاجعه باشد.