Bàn về 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 báo này bàn về cách xiết BLCĐC đang được áp dụng trên các công trường và có một số đề xuất kiến nghị.

  1. 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.

  1. 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 (speeification). 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

LỰC CĂNG TRƯỚC TỐI THIỂU CHO BU LÔNG (KN)
Đường kính 1/2 in

(12.7mm)

5/8 in

(15.9mm)

3/4 in

(19.1mm)

7/8 in

(22.2mm)

1 in

(25.4mm)

1-1/8in

(28.6mm)

1-1/4in

(31.8mm)

1-3/8in

(34.9mm)

Bulông loại

A325

 

53.4

 

84.5

 

124.6

 

173.5

 

226.9

 

249.1

 

315.9

 

378.1

Bulông loại

A490

 

66.7

 

106.8

 

155.7

 

218.0

 

284.7

 

355.9

 

453.7

 

538.3

Bảng 2

Đường kính M12 M16 M20 M22 M24 M27 M30 M36
Bulông cấp 8.8 35 70 110 130 150 200 245 365
Bulông cấp 10.9

 

50 100 160 190 220 290 350 510

Bảng 3

MOMEN XOẮN ĐỂ XIẾT ÊCU CHO BLCĐC BẰNG THÉP A325
Đường kính Bulông (mm) Momen xiết (Nm)
12 87
16 211
20 412
24 711
27 1049
30 1422

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 mômen xoắn để xiết êcu (gọi tắt là mô men xiết) có giá trị xác định, không đổi.

Giá trịcủa 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 mômen 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 bulông, 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 báo sau.

Bảng 3 dưới đây là một ví dụ về giá trị của mômen xiết được tham khảo để dùng trên các công trình do Công ty Zamil Steel xây dựng.

Để xác định mômen 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 mômen xiết và lực căng trước trong bulông 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 mômen xiết có giá trị không đổi cho một loại bulông nào đó.

Tiêu chuẩn Mỹ AISC, hay Anh BS chỉ cho phép dùng phương pháp này nếu quan hệ của mômen xiết tạo bởi clê lực và lực căng bulông được xác định ngay tại công trường chứ không dùng bảng hoặc công thức tính… Mômen 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, bulông được lắp vào thiết bị Skidmore Wilhelm với êcu được xiết chặt. Lực căng trong bulông sẽ ép vào píttông thuỷ lực của Skidmore Wilhelm. Đồng hồ áp lực của Skidmore Wilhelm sẽ chỉ ra lực căng trong bulông. Tương ứng với lực căng này sẽ là mômen xiết của clê lực. Khi đồng hồ chỉ lực của Skidmore Wilhelm chỉ đến lực căng thiết kế ủa bulông thì ta cũng có mômen xiết tương ứng. Thường thì bulông 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 bulông được lắp thực tế tại mối nối. Theo quy định, ít nhất 3 mẫu bulông của mỗi lô (sản xuất), mỗi loại đường kính, mỗi loại chiều dài của bulông được kiểm tra (như trên) trong mỗi ngày lắp dựng tại công trường. Các bulông dùng để kiểm tra biết mômen 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 bulông, 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.

  1. Phương pháp quay thêm êcu:

Một phương pháp đơn giản được phép dùng theo các tiêu chuẩn Mỹ, Anh, Úc…

Bulông, vòng đệm, êcu 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 êcu được xiết chặt thêm bằng cách quay êcu thêm một góc nữa (1/3 vòng, 2/3 vòng…).

Bản chất của phương pháp quay thêm êcu này là tạo độ giãn dài của bulông. ứng với một góc quay thêm của êcu thì bulông sẽ được kéo giãn ra một lượng. Tương ứng với lượng giãn dài này sẽ là một lực căng tương ứng trong bulông. Nếu việc xiết trước bulông lúc trước không được làm cẩn thận, vẫn để khe hở giữa các bản thép nối thì việc xiết thêm (quay thêm) êcu sẽ làm giảm khe hở kể trên và bulông được giãn dài không như mong muốn và dẫn đến lực căng trước trong bulông sẽ không đạt như yêu cầu.

Góc quay thêm của bulông phụ thuộc vào bước ren của bulông và tổng chiều dầy các bản nối… Dưới đây là đề nghị góc quay thêm của AISC.

Khi quay thêm êcu, lưu ý là phải đánh dấu trên êcu và đầu có ren của bulông. Không được đánh dấu giữa êcu và bản nối, vì trong quá trình quay thêm, không những chỉ êcu quay mà bulông có thể quay. Cái chúng ta cần là sự quay tương đối giữa êcu và bulông để đảm bảo sự giãn dài và lực căng yêu cầu.

Phương pháp quay thêm êcu 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 bulông, tuy nhiên hầu như chưa được dùng tại các công trình thiết kế hay thi công theo Tiêu chuẩn Việt Nam.

  1. Phương pháp đo lực trực tiếp:

Dùng các thiết bị đo trực tiếp lực căng của êcu sau khi xiết, ví dụ các cách sau:

  1. a) Dùng bulông 2 đầu còn gọi là bulông lực kéo khống chế (Tension control Bolt). Bulông có cấu tạo đặc biệt như: Đầu ren của bulông 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 bulông có một rãnh ngang quanh chu vi của thân bulông .

Một clê đặc biệt được dùng để xiết bulông 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 êcu. Hai chụp cặp này quay ngược chiều nhau để xiết bulông. Tại một thời điểm nào đó, mômen xoắn gây ra bởi ma sát giữa êcu và ren của bulông, giữa êcu và vòng đệm sẽ thắng được khả năng chống xoắn cắt của bulông tại rãnh ngang. Chốt sẽ bị cắt rời khỏi bulông tại rãnh ngang. Nếu bulông 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 bulông này.

  1. 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 bulông, lực căng trong bulông sẽ gây ra lực ép giữa êcu và các vấu nhỏ này. Lực ép này sẽ gây biến dạng (làm bẹp) các vấu nhỏ. Đo khoảng hở còn lại giữa êcu và vòng đệm ví dụ luồn vào khe hở những que thăm chiều dày biết trước, người ta sẽ biết được lực căng trong bulông.

Ưu điểm của các phương pháp đo lực trực tiếp là thi công nhanh. Khuyết điểm của chúng là giá của “bulông lực kéo khống chế” và “vòng đệm có nhíp” đắt hơn nhiều so với bulông thường. Việc bảo quản, lắp đặt “bulông lực kéo khống chế” và “vòng đệm có nhíp” phải nghiêm ngặt tuân theo tiêu chuẩn. Ví dụ nếu bulông lực kéo khống chế bị gỉ làm cho ma sát giữa êcu và ren của bulông lớn hơn so với tiêu chuẩn dẫn đến chốt sẽ bị cắt rời khỏi bulông trước khi bulông đạt đến lực căng cần thiết.

Bảng 4. Bảng góc quay thêm êcu từ trạng thái chặt khít theo AISC

Chiều dài của bulông

(Tính từ mặt dưới của đầu mũ đến mút cuối của bulông )

Độ vuông góc của mặt đầu mũ và mặt êcu với trục của bulông
Mặt đầu mũ và mặt êcu vuông góc với trục của bulông Mặt đầu mũ hoặc mặt êcu vuông góc với trục của bulông. Mặt kia tạo thành một góc so với mặt thứ nhất một độ dốc không quá 1:20 (vòng đệm vát được dùng) Mặt đầu mũ và mặt êcu tạo thành một độ dốc không quá 1:20 so với mặt phẳng vuông góc với trục của bulông (vòng đệm vát được dùng)
Nhỏ hơn hoặc bằng 4 lần đường kính bulông 1/3 vòng 1/2 vòng 2/3 vòng
Từ lớn hơn 4 lần đường kính đến nhỏ hơn hoặc bằng 8 lần đường kính bulông 1/2 vòng 2/3 vòng 5/6 vòng
Từ lớn hơn 8 lần đường kính đến nhỏ hơn hoặc bằng 12 lần đường kính bulông 2/3 vòng 5/6 vòng 1 vòng

III. Kết luận

  1. Trong điều kiện xây dựng ở nước ta hiện tại, nên ưu tiên dùng phương pháp quay thêm êcu 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 mômen xiết và lực căng trong bulông cho từng loại bulông 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 “bulông 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

Sản phẩm mua nhiều