Tìm hiểu về bulong trong kết cấu thép

 

Căn cứ vào độ chính xác chế tạo, chia ra các loại : bulông độ chính xác thường , với đường kính lỗ lớn hơn thân bulông 2-3 mm ; bulông tinh, độ chính xác cao với đường kính lỗ lớn hơn thân bulông dưới 0,5 ; bulông cường độ cao, với độ chính xác thường. Căn cứ vào sự làm việc của bulông chia làm : bulông thường (bulông làm việc chịu cắt, bulông làm việc chịu kéo), và bulông có lực xiết khống chế.

Căn cứ vào đường kính và kích thước ren, chia ra bulông ren hệ mét và bulông ren hệ in. Hệ mét có d = 12 đến 48 mm. Hệ in. có các loại : 1/2, 5/8, 3/4 , 7/8, 1, 1 1/8, 1 1/4, 1 3/8, 1 1/2

Vật liệu làm bulông thường là các loại thép thuộc nhóm A tức là chỉ cần đảm bảo về mặt độ bền cơ học, không cần quan tâm đến thành phần hoá của thép. Do đó, không cần nêu tên thép cụ thể, mà chỉ quy định cấp độ bền. Chia làm các cấp (các nước theo hệ mét): 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.6, 8.8 đến 10.9. Số đầu nhân lên 10 lần cho giới hạn bền theo kN/cm². Tích của hai số cho giới hạn chảy kN/ cm². Thông thường từ cấp 8.8 trở lên thì dùng cho bulông cường độ cao có lực xiết khống chế.

Bulông cường độ cao có hai cách hiểu : - bulông làm bằng thép cường độ cao, có giới hạn bền tới 8 kN/cm²nhưng làm việc như bulông thường ; - bulông làm bằng thép cường độ cao, và làm việc qua sự ma sát của bản thép (gọi là bulông có lực xiết khống chế hoặc bulông được căng toàn bộ lực).

Bulông cường độ cao ở Việt Nam thường được chế tạo từ thép cường độ cao và nhiệt luyện, ví dụ thép Nga 35X cho cấp 8.8, thép 40X cho cấp 10.9. Theo tiêu chuẩn chung, phải đánh dấu cấp độ bền vào mũ bulông. Mĩ, Uc hay dùng thép

 

2. Liên kết bulong trong kết cấu thép

a. Liên kết truyền lực qua tì chặt. Trong liên kết này, sự truyền lực thực hiện qua sự tì sát thân bulông vào thành lỗ (hình 9.32). Thân bulông bị cắt, còn bản thép bị ép mặt. Gọi là ép mặt theo cách gọi đơn giản, thực tế là sự trượt của bản thép tại vùng lỗ. Về khả năng chịu cắt của thân bulông, cách tính của ta không phân biệt trường hợp ren bulông có nằm trong mặt phẳng cắt hay không. Mĩ và châu Âu thì phân biệt rõ nếu mặt phẳng cắt đi qua ren thường độ bền thấp đi tới 40%, điều này hiển nhiên vì tiết diện nhỏ đi.

b. Liên kết truyền lực qua ma sát (Hình 9.33).Trong liên kết này, lực truyền qua sự ma sát giữa các bản thép được xiết rất chặt bởi bulông cường độ cao. Lực xíêt phải được khống chế chính xác để đảm bảo khả năng truyền lực. Cấp cường độ bulông thường phải từ 8.8 trở lên. Việt Nam hay dùng loại thép 40X (cấp 10.9), 35X (cấp 8.8). Tiêu chuẩn ASTM dùng loại thép cường độ cao A325 (120 ksi), A490 (150ksi).

 

Khả năng chịu lực của loại liên kết này phụ thuộc lực xiết ban đầu và sự chuẩn bị bề mặt. Lực xiết ban đầu lấy bằng 0,7 lực kéo đứt bulông. Hệ số ma sát phụ thuộc vào sự chuẩn bị bề mặt, có giá trị bằng : từ 0,2 (không chuẩn bị gì), 0,3 (chỉ dùng bàn chải sắt), 0,4 (dùng ngọn lửa), đến cao nhất là 0,5 (phun cát, có lớp mặt phủ kim loại để tạo nhám).　

3. Thi công liên kết bulông

3.1 Phương pháp tạo lỗ. Quy phạm Việt Nam phân biệt hai loại lỗ tuỳ theo độ chính xác : lỗ đột, đường kính và vị trí không chính xác, cạnh có bavia ; lỗ khoan, hoặc đột rồi khoan, kích thước và vị trí lỗ chính xác, thành lỗ nhẵn. Do chất lượng lỗ cường độ chịu lực của bulông chênh nhau 10%. Do đó, mặc dù TCXD 170:89 cho phép đột khi lỗ nhỏ dưới 25 mm và bản thép dày không quá 10 mm, nhưng điều này là do thiết kế quyết định, vì trong tính toán đã xét vấn đề đột hay khoan. Quy phạm Mĩ, châu Âu thì phân biệt lỗ tiêu chuẩn và lỗ to quá kích thước, lỗ bầu dục, cường độ chịu lực chênh nhau tới 15%. ( Lỗ tiêu chuẩn là lỗ lớn hơn đường kính bulông 1/16 in hay 1-2 mm theo Eurocode). Các Quy phạm này không phân biệt lỗ đột và khoan.

3.2. Phương pháp xiết bulông thường và bulông cường độ cao. Bulông thường được xiết đủ chặt để đảm bảo có sự tiếp xúc tốt giữa các bề mặt, không cần không chế lực xiết. Đủ chặt là do một công nhân dùng chìa vặn cán dài thông thường (300 mm), hoặc khi dùng máy xoay đập thì là khi máy bắt đầu đập.

Bulông lực xiết khống chế cần được xiết với toàn bộ lực căng. Bulông làm việc chịu kéo cũng phải được xiết với toàn bộ lực căng. Các phương pháp xiết với toàn bộ lực căng :

- dùng clê đo lực, có đồng hồ cho biết mômen xoắn, từ đó có các bảng để tra ra lực căng của bulông. Bảng số dựa trên công thức hay trên cơ sở định chuẩn qua thực nghiệm.

Có thể tham khảo các công thức và bảng sau đây để biết lực căng trong bulông khi có mômen xiết :

 

M = KPd

M : mômen xoắn, Nm ; P : lực căng trong bulông, kN ; d : đường kính bulông, mm ; K hệ số xác định bằng thí nghiệm, khoảng bằng : 0,2

 

Phải rất cẩn thận khi muốn khống chế lực căng bằng clê đo lực. Phải dùng vòng đệm tôi cứng để sự ma sát giữa êcu hay đầu bulông với bản thép không bị thay đổi với các bulông. Clê phải được định chuẩn hàng ngày bằng kích thuỷ lực, hoặc mỗi khi dùng với bulông đường kính khác. Nói chung, phương pháp này nhanh và rẻ nhưng không chính xác vì có nhiều nguyên nhân ảnh hưởng đến ngẫu lực chứ không phải lực xiết : chất lượng và độ chính xác của ren, chất lượng của êcu, mức độ bôi trơn, sự ma sát giữa êcu và mặt thép, v.v. Quy phạm Mĩ không thừa nhận phương pháp này vì kém tin cậy, tuy nhiên đây là cách gần như duy nhất trên các công trường Việt Nam .

- Phương pháp đo trực tiếp : dùng vòng đệm cứng có hình dạng đặc biệt, khi chịu lực thường biến dạng và chỉ thị được lực. Hình 9.34 vẽ một kiểu vòng đệm có các mấu lồi, khi xiết êcu thì mấu phẳng ra và giảm khoảng cách giữa êcu và vòng đệm ; đo khoảng cách này thì biết được lực căng. Khi sử dụng phương pháp này, phải tuân thủ rất kĩ quy trình lắp đặt của hãng chế tạo.

- Bulông có đầu chẻ thò ra ngoài phần ren, được kẹp bởi chìa vặn đặc biệt. Khi vặn êcu đến mức quy định thì đầu chẻ bị đứt rời.

- Phương pháp quay thêm êcu được sử dụng theo Quy phạm Mĩ, Pháp và Uc . Các Quy phạm này không yêu cầu xác định đúng lực xiết để dùng trong tính toán mà cần đảm bảo lực căng tối thiểu để liên kết không trượt khi làm việc (gọi là liên kết SC, slip- critical). Lực căng tối thiểu là 6000 daN/cm2, đối với bulông cấp 8.8. Sau khi vặn bulông đến mứcđủ chặt thì đánh dấu vào êcu và vặn thêm một phần ba cho đến 2/3 vòng, tuỳ chiều dài bulông. Góc quay thêm được xác định theo kinh nghiệm, thường do người thiết kế quyết định. Phương pháp này không đòi hỏi vòng đệm cứng như phương pháp clê đo lực. Đảm bảo đồng đều lực căng trong các bulông, tin cậy, dễ kiểm tra.

Cũng dùng phương pháp này để căng bulông với lực xiết khống chế. Khi đó vẫn phải dùng clê đo lực để căng đến một giá trị xác định của lực căng cần thiết, ví dụ 60 hay 75%. Sau đó quay thêm êcu một góc xác định. Độ sai số của phương pháp này so với phương pháp chỉ dùng clê đo lực nhỏ hơn 3 đến 6 lần, ngoài ra clê đo lực không bị vặn hết khả năng nên bền hơn.

Phương pháp quay thêm êcu hiện nay chỉ được dùng tại nước ta trong những công trình do nước ngoài thiết kế và chế tạo. Để áp dụng được một cách phổ biến cần có sự nghiên cứu và thí nghiệm theo các điều kiện của nước ta.

 

3.3. Kiểm tra liên kết bulông và kết cấu dùng bulông.

- Kiểm tra đường kính, vị trí các lỗ bulông trong phạm vi dung sai. Theo TCXD, độ sai lệch về đường kính và độ ôvan của lỗ bulông là dưới 0,6 mm đối với d£ 17 mm và dưới 1,5 mm đối với đường kính lớn hơn. Sai lệch cho phép giữa các lỗ bulông là 1.5 mm ; sai lệch giữa các nhóm lỗ là 2 đến 3 mm. Không cho phépcó sứt mẻ lỗ với kích thước lớn hơn 1 mm và nứt ở mép lỗ (bản TCXD 170:89 in nhầm là không hạn chế, có nghĩa ngược hẳn, cực kì nguy hiểm)

- Kiểm tra các khuyết tật hư hỏng của bulông, êcu, vòng đệm, nếu có thì phải bỏ đi thay thế bằng cái mới.

Chú ý yêu cầu về vòng đệm : Nói chung, bulông thường không đòi hỏi phải có vòng đệm. Dùng vòng đệm khi có yêu cầu của thiết kế, ví dụ dùng bulông dài để đưa phần ren ra ngoài mặt phẳng cắt ; hoặc khi bề mặt bản thép nghiêng quá 3 độ so với mặt phẳng vuông góc với trục bulông thì phải có vòng đệm nghiêng. Bulông lực xiết khống chế thì phải có vòng đệm tôi cứng bên dưới phần quay.

 

- Kiểm tra sự xiết bulông , chỉ đối với loại liên kết không cho trượt. Kiểm tra bằng clê đã được định chuẩn, với 10% số bulông đã xiết. Kiểm tra theo dấu của êcu quay thêm và dấu của mũ bulông không quay.

- Kiểm tra tổng thể kết cấu đã dựng lắp, với độ nghiêng, độ sai lệch trong dung sai lắp ghép, cũng giống như đối với kết cấu hàn (xem bảng 9.5 trích từ TCXD).