Table of Contents
Hướng dẫn cách xiết bu lông cường độ cao trong các mối nối của kết cấu thép
Bu lông cường độ cao (BLCĐC) ngày càng được dùng nhiều trong kết cấu thép tại các công trình xây dựng ở nước ta. Tuy nhiên qua theo dõi một số công trình kết cấu thép do nhà nước và nước ngoài đầu tư (và dưới sự giám sát của tư vấn trong nước và nước ngoài), chúng tôi thấy rằng cách xiết bu lông tại các công trường là rất là khác nhau. Bài viết này xin có một vài hướng dẫn về cách xiết BLCĐC đang được áp dụng trên các công trường và có một số đề xuất kiến nghị.
I. Phân biệt các loại liên kết bu lông cường độ cao
Ta đều biết, liên kết bu lông trong kết cấu thép có thể chia làm 3 loại: Liên kết chịu cắt, liên kết không trượt và liên kết chịu kéo.
1. Trong liên kết chịu cắt, lực vuông góc với thân bu lông, thân bu lông bị cắt và bản thép thành lỗ bị ép. Liên kết này đơn giản, dễ thi công, chịu lực khoẻ, nhưng có nhược điểm là bị trượt do lỗ to hơn thân bu lông. Kết cấu nhà mà sự trượt không gây ảnh hưởng hay dùng loại này.
Bu lông không cần được xiết chặt lắm chỉ cần xiết đến mức khít chặt (không có khe hở giữa các bản thép). Vậy nếu dùng BLCĐC trong liên kết này thì cũng không cần xiết mạnh bu lông quá mạnh, chỉ cần dùng 1 clê chuẩn là đủ.
2. Liên kết không trượt: Cũng chịu lực vuông góc thân bu lông, nhưng bu lông được xiết hết sức chặt để gây ma sát giữa các bản thép, không cho trượt. Liên kết này dùng cho những kết cấu không cho phép trượt như: cầu, dầm cầu trục, kết cấu chịu lực động…
Bu lông trong kết cấu này phải được xiết đến một lực căng lớn quy định bởi thiết kế, do đó phải là BLCĐC. Việc xiết bu lông phải đảm bảo đạt được lực căng khống chế, đó là vấn đề khó sẽ bàn ở phần II.
3. Bu lông chịu kéo: Trong liên kết mà lực dọc theo chiều bu lông, bu lông chịu kéo (ví dụ: liên kết mặt bích, liên kết nối dầm của khung nhà). Tiêu chuẩn TCVN không yêu cầu xiết bu lông chịu kéo như thế nào, nhưng tiêu chuẩn các nước (Mỹ, châu Âu, Úc…) đều yêu cầu bu lông phải được xiết đến lực lớn hơn lực nó sẽ chịu khi làm việc dưới tải, để cho các mặt bích không bị tách ra.
Như vậy với loại liên kết loại 2 và 3, BLCĐC phải được xiết đến lực quy định bởi thiết kế, tất nhiên với một sai số cho phép.
II. Các phương pháp xiết bu lông
Lực căng trước trong bu lông có thể được quy định trong bản vẽ thiết kế, hoặc quy định trong các chỉ dẫn kỹ thuật (specification). Thường là lấy bằng lực chịu kéo tối đa mà bu lông chịu được khi bị vặn xoắn, tức là ứng với ứng suất khoảng 70% cường độ kéo đứt. Giá trị lực căng trước khác nhau tuỳ tiêu chuẩn thiết kế và loại bu lông.
Bảng 1 dưới đây chỉ lực căng trước tối thiểu theo tiêu chuẩn Mỹ AISC (Viện thép xây dựng Mỹ – American Institute Of Steel Construction) cho bu lông A325 & A490.
Bảng 1:
Bảng 2:
Bảng 3:
Bảng 2 cho lực căng trước danh nghĩa theo tiêu chuẩn Đức DIN 18800 – 7: 2001-12 cho bu lông cấp bền 8.8 và 10.9 (kN).
Để đạt được lực căng trước này ở Việt Nam hay dùng các phương pháp sau:
1. Phương pháp clê lực:
Nguyên lý của phương pháp này là ứng với một lực căng nhất định trong một loạt bu lông cụ thể (có cùng tính chất cơ học và làm bởi một nhà sản xuất nhất định) thì sẽ có một mô men xoắn để xiết ê cu (gọi tắt là mô men xiết) có giá trị xác định, không đổi.
Giá trị của các mô men xiết có thể được tra bảng hoặc dùng các công thức để tính toán. Đây là một công thức thường được dùng trên các công trường ở nước ta:
M = k x P x D
Trong đó:
M là mô men xiết (Nm);
P là lực căng trong bu lông (kN);
D là đường kính bu lông (mm);
k là một hệ số xác định bằng thực nghiệm, tuỳ thuộc loại bu lông, thông thường có giá trị từ 0,12 đến 0,20. Vấn đề hệ số “k” khá phức tạp sẽ được bàn trong một bài sau.
Bảng 3 dưới đây là một ví dụ về giá trị của mô men xiết được tham khảo để dùng trên các công trình do Công ty Zamil Steel xây dựng. Để xác định mô men xiết khi dựng lắp tại công trường, người ta dùng dụng cụ là clê lực (Torque Wrench).
Phương pháp xiết bằng clê lực nói chung là không chính xác vì thực tế quan hệ giữa mô men xiết và lực căng trước trong bu lông là phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thông số về kích thước (bước ren…), tính chất bề mặt, sự bôi trơn, nhiệt độ tại thời điểm thi công.
Do đó, sẽ không có một mô men xiết có giá trị không đổi cho một loại bu lông nào đó.
Tiêu chuẩn Mỹ AISC, hay Anh BS chỉ cho phép dùng phương pháp này nếu quan hệ của mô men xiết tạo bởi clê lực và lực căng bu lông được xác định ngay tại công trường chứ không dùng bảng hoặc công thức tính… Mô men xiết được đo bằng clê lực như đã nói ở trên. Để đo lực căng trong bu lông thì dùng các thiết bị đo lực thích hợp, ví dụ một thiết bị thuỷ lực nhỏ có tên là Skidmore Wilhelm.
Tại công trường, bu lông được lắp vào thiết bị Skidmore Wilhelm với ê cu được xiết chặt. Lực căng trong bu lông sẽ ép vào píttông thuỷ lực của Skidmore Wilhelm. Đồng hồ áp lực của Skidmore Wilhelm sẽ chỉ ra lực căng trong bu lông.
Tương ứng với lực căng này sẽ là mô men xiết của clê lực. Khi đồng hồ chỉ lực của Skidmore Wilhelm chỉ đến lực căng thiết kế ủa bu lông thì ta cũng có mô men xiết tương ứng. Thường thì bu lông được xiết sao cho lực căng trong bu lông lớn hơn lực căng thiết kế 5%. 5% thêm này để bảo đảm tăng thêm sự tin tưởng do sẽ có sự sai khác nhỏ giữa mẫu thử và bu lông được lắp thực tế tại mối nối.
Theo quy định, ít nhất 3 mẫu bu lông của mỗi lô (sản xuất), mỗi loại đường kính, mỗi loại chiều dài của bu lông được kiểm tra (như trên) trong mỗi ngày lắp dựng tại công trường. Các bu lông dùng để kiểm tra biết mô men xiết cần thiết sẽ không được dùng để lắp vào các mối nối thực tại công trường.
Một ghi nhớ quan trọng là bất cứ thay đổi nào về điều kiện (lô sản xuất, đường kính, chiều dài, loại bu lông, ngày lắp dựng) đều đòi hỏi việc đo lại cần thiết phải tiến hành tại công trường (không phải trong phòng thí nghiệm). Theo chúng tôi biết, hiện nay ở nước ta chưa ở đâu dùng thiết bị này.
2. Phương pháp quay thêm ê cu:
Một phương pháp đơn giản được phép dùng theo các tiêu chuẩn Mỹ, Anh, Úc…Bu lông, vòng đệm, ê cu được lắp vào mối nối và được xiết chặt bằng dụng cụ thông thường sao cho không còn khe hở giữa các bản thép (của mối nối). Sau đó ê cu được xiết chặt thêm bằng cách quay ê cu thêm một góc nữa (1/3 vòng, 2/3 vòng…).
Bản chất của phương pháp quay thêm ê cu này là tạo độ giãn dài của bu lông. ứng với một góc quay thêm của ê cu thì bu lông sẽ được kéo giãn ra một lượng. Tương ứng với lượng giãn dài này sẽ là một lực căng tương ứng trong bu lông.
Nếu việc xiết trước bu lông lúc trước không được làm cẩn thận, vẫn để khe hở giữa các bản thép nối thì việc xiết thêm (quay thêm) ê cu sẽ làm giảm khe hở kể trên và bu lông được giãn dài không như mong muốn và dẫn đến lực căng trước trong bu lông sẽ không đạt như yêu cầu.
Góc quay thêm của bu lông phụ thuộc vào bước ren của bu lông và tổng chiều dầy các bản nối… Dưới đây là đề nghị góc quay thêm của AISC.
Khi quay thêm ê cu, lưu ý là phải đánh dấu trên ê cu và đầu có ren của bu lông.
Không được đánh dấu giữa ê cu và bản nối, vì trong quá trình quay thêm, không những chỉ ê cu quay mà bu lông có thể quay. Cái chúng ta cần là sự quay tương đối giữa ê cu và bu lông để đảm bảo sự giãn dài và lực căng yêu cầu.
Phương pháp quay thêm ê cu này được dùng tại các kết cấu thép làm theo Tiêu chuẩn Mỹ, Anh, Úc,… Nó rẻ tiền, đơn giản và đảm bảo được lực căng trước trong bu lông, tuy nhiên hầu như chưa được dùng tại các công trình thiết kế hay thi công theo Tiêu chuẩn Việt Nam.
3. Phương pháp đo lực trực tiếp:
Dùng các thiết bị đo trực tiếp lực căng của ê cu sau khi xiết, ví dụ các cách sau:
a) Dùng bu lông 2 đầu còn gọi là bu lông lực kéo khống chế (Tension control Bolt). Bu lông có cấu tạo đặc biệt như: Đầu ren của bu lông có cấu tạo đặc biệt, có một chốt nhỏ ở đầu có các rãnh dọc. Giữa phần đầu này và phần thân có ren của bu lông có một rãnh ngang quanh chu vi của thân bu lông .
Một clê đặc biệt được dùng để xiết bu lông này. Clê đặc biệt này có 2 chụp cặp đồng trục. Chụp cặp phía trong giữ phần chốt và chụp cặp phía ngoài bao quanh ê cu. Hai chụp cặp này quay ngược chiều nhau để xiết bu lông.
Tại một thời điểm nào đó, mô men xoắn gây ra bởi ma sát giữa ê cu và ren của bu lông, giữa ê cu và vòng đệm sẽ thắng được khả năng chống xoắn cắt của bu lông tại rãnh ngang. Chốt sẽ bị cắt rời khỏi bu lông tại rãnh ngang. Nếu bu lông được sản xuất và đo đạc chính xác, lực căng thiết kế sẽ đạt được tại thời điểm này.
Nhà máy Xi măng Hoàng Thạch mở rộng, cầu Cần Thơ, đều dùng rộng rãi loại bu lông này.
b) Dùng vòng đệm có nhíp (Tension Indiator Washer). Vòng đệm đặc biệt như: Trên vòng đệm có các vấu nhỏ hình cung tròn. Khi xiết bu lông, lực căng trong bu lông sẽ gây ra lực ép giữa ê cu và các vấu nhỏ này.
Lực ép này sẽ gây biến dạng (làm bẹp) các vấu nhỏ. Đo khoảng hở còn lại giữa ê cu và vòng đệm ví dụ luồn vào khe hở những que thăm chiều dày biết trước, người ta sẽ biết được lực căng trong bu lông.
Ưu điểm của các phương pháp đo lực trực tiếp là thi công nhanh. Khuyết điểm của chúng là giá của “bu lông lực kéo khống chế” và “vòng đệm có nhíp” đắt hơn nhiều so với bu lông thường.
Việc bảo quản, lắp đặt “bu lông lực kéo khống chế” và “vòng đệm có nhíp” phải nghiêm ngặt tuân theo tiêu chuẩn. Ví dụ nếu bu lông lực kéo khống chế bị gỉ làm cho ma sát giữa ê cu và ren của bu lông lớn hơn so với tiêu chuẩn dẫn đến chốt sẽ bị cắt rời khỏi bu lông trước khi bu lông đạt đến lực căng cần thiết.
Bảng 4. Bảng góc quay thêm ê cu từ trạng thái chặt khít theo AISC
III. Kết luận
1. Trong điều kiện xây dựng ở nước ta hiện tại, nên ưu tiên dùng phương pháp quay thêm ê cu với các liên kết BLCĐC lực xiết khống chế, không phụ thuộc vào Tiêu chuẩn thiết kế.
2. Nếu dùng clê lực thì phải tăng cường kiểm tra quan hệ giữa mô men xiết và lực căng trong bu lông cho từng loại bu lông dùng trong công trình đó (đo tại phòng thí nghiệm). Tăng cường hiệu chỉnh clê lực, tốt nhất là tháng 1 lần (Thực tế trên các công trường ở nước ta chỉ 6 tháng mới đi kiểm định clê lực). Có ít nhất hai clê lực để kiểm tra chéo nhau.
3. Một số công trình lớn dùng rất nhiều BLCĐC thì đặc biệt nên có bộ Skidmore.
4. Mở rộng việc dùng “bu lông lực kéo khống chế” hay “vòng đệm nhíp” vì đó là giải pháp đảm bảo nhất, tất nhiên ban đầu phải nhập ngoại các loại này để tiến tới tự sản xuất trong nước.
Nguồn: TC Xây dựng, số 1-2010 – Đăng tải: https://thegioibulongocvit.vn/
Thông tin liên hệ:
CÔNG TY TNHH VẬT TƯ CÔNG NGHIỆP NAM AN
Tổng kho/ VPGD: Số 68, Khu đất dịch vụ Vân Canh, KĐT mới Vân Canh, Hoài Đức, Hà Nội, Việt Nam.
Nhà máy: Thôn Bằng Lũng, Xã Quảng Oai, Huyện Ba Vì, TP Hà Nội, Việt Nam.
Hotline/Zalo: 0941 636 369 – 0983 344 163 – 0983 506 389 – 0376 813 369
Email: Bulongocvitnaman@gmail.com
Kênh Youtube: https://www.youtube.com/@thegioibulongocvit-naman
Shopee: https://shopee.vn/bulongnaman.vn
Xem chi tiết sản phẩm: