Cường độ chịu ép mặt của bu lông

Cường độ chịu ép mặt không phụ thuộc vào loại bu lông vì ứng suất được xem xét là trên bộ phận được liên kết chứ không phải trên bu lông. Do vậy, cường độ chịu ép mặt cũng như các yêu cầu về khoảng cách bu lông và khoảng cách tới mép đầu cấu kiện, là những đại lượng không phụ thuộc vào loại bu lông, sẽ được xem xét trước khi bàn về cường độ chịu cắt và chịu kéo của bu lông.

Các quy định của Tiêu chuẩn AISC và cường độ chịu ép mặt cũng như tất cả các yêu cầu đối với bu lông cường độ cao có cơ sở là các quy định của Tiêu chuẩn RCSC, 2000 (Hội đồng Nghiên cứu về liên kết trong kết cấu). Phần trình bày sau đây Thọ An giải thích cơ sở của các công thức cho cường độ chịu ép mặt trong Tiêu chuẩn AISC cũng như AASHTO LRFD.

Một trường hợp phá hoại có thể xảy ra do ép mặt lớn là sự xé rách tại đầu một cấu kiện được liên kết như được minh họa trên hình 1a. Nếu bề mặt phá hoại được lý tưởng hóa như biểu diễn trên hình 1b thì tải trọng phá hoại trên một trong hai mặt sẽ bằng ứng suất phá hoại cắt nhân với diện tích chịu cắt, hay:

R_n/2 = 0,6F_nL_et (1)

Trong đó:

0,6F_n: ứng suất phá hoại cắt của cấu kiện được liên kết

L_e: khoảng cách từ mép lỗ đến mép cấu kiện được liên kết

t: chiều dày của cấu kiện được liên kết

Cường độ tổng cộng là: R_n= 2(0,6F_nL_et) = 1,2F_nL_et (2)

Hình 1: Sự xé rách tại đầu cấu kiện

Sự xé rách này có thể xảy ra tại mép của một cấu kiện được liên kết, như trong hình vẽ, hoặc giữa hai lỗ theo phương chịu lực ép mặt. Để ngăn ngừa biến dạng quá lớn của lỗ, một giới hạn trên được đặt ra đối với lực ép mặt được cho bởi công thức (2). Giới hạn trên này là tỷ lệ thuận với tích số của dịch tích chịu ép mặt và ứng suất phá hoại, hay: R_n= C x diện tích ép mặt x F_n = CdtF_n (3)

Trong đó:

C: hằng số

d: đường kính bu lông

t: chiều dày của cấu kiện được liên kết

Tiêu chuẩn AISC sử dụng công thức (2) cho cường độ chịu ép mặt với giới hạn trên được cho bởi công thức (3). Nếu có biến dạng lớn, mà điều này thường xảy ra, thì C được lấy bằng 2,4. Giá trị này tương ứng với độ dãn dài của lỗ bằng khoảng 1/4 inch. Như vây: R_n = 1,2F_nL_et ≤ 2,4dtF_n

Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 – 05 (cũng như AAFSTO LRFD), cường độ chịu ép mặt của liên kết bu lông, về bản chất, được xác định trên cơ sở phân tích trên. Tuy nhiên, quy định về các trường hợp của sự kháng ép mặt danh định thể hiện khác biệt về hình thức, cụ thể như sau:

Đối với các lỗ chuẩn, lỗ quá cỡ, lỗ van ngắn chịu tác dụng lực theo mọi phương và lỗ ô van dài song song với phương lực tác dụng:

Khi khoảng cách tĩnh giữa các lỗ bu lông không nhỏ hơn 2d và khoảng cách tĩnh đến đầu thanh không nhỏ hơn 2d: R_n = 2,4dtF_n
Khi khoảng cách tĩnh giữa các lỗ bu lông nhỏ hơn 2d và khoảng cách tĩnh đến đầu thanh nhỏ hơn 2d: R_n= 1,2F_nL_et

Đối với các lỗ ô van vuông góc với phương lực tác dụng:

Khi khoảng cách tĩnh giữa các lỗ bu lông không nhỏ hơn 2d và khoảng cách tĩnh đến đầu thanh không nhỏ hơn 2d: R_n = 2,0dtF_n
Khi khoảng cách tĩnh giữa các lỗ bu lông nhỏ hơn 2d và khoảng cách tĩnh đến đầu thanh nhỏ hơn 2d: R_n= F_nL_et

Trong đó:

L_e: khoảng cách trống, theo phương song song với lực tác dụng, từ mép của lỗ bu lông tới mép của lỗ gần kề hoặc tới mép của cấu kiện

t: chiều dày của cấu kiện được liên kết

d: đường kính bu lông

F_n: ứng suất kéo giới hạn của cấu kiện được liên kết (không phải của bu lông)

Trong tài liệu này, biến dạng được xem xét là trên góc độ thiết kế. Cường độ chịu ép mặt tính toán của một bu lông đơn, do vậy, có thể được tính bằng øR_n , với ø là hệ số sức kháng đối với ép mặt của bu lông lên thép cơ bản:

ø = 0,75 theo AISC

ø = 0,80 theo AAFSTO LRFD (1998)

Trong đó:

L_e: khoảng cách trống, theo phương song song với lực tác dụng, từ mép của lỗ bu lông tới mép của lỗ gần kề hoặc tới mép của cấu kiện

t: chiều dày của cấu kiện được liên kết

F_n: ứng suất kéo giới hạn của cấu kiện được liên kết (không phải của bu lông)

Hình 2 miêu tả khoảng cách L_c. Khi tính toán cường độ ép mặt cho một bu lông, sử dụng khoảng cách từ bu lông này đến bu lông liền kề hoặc đến mép theo phương lực tác dụng và cấu kiện liên kết. Đối với trường hợp trong hình vẽ, lực ép mặt sẽ tác dụng trên phần bên trái của mỗi lỗ. Do vậy, cường độ bu lông 1 được tính với L_c bằng khoảng cách giữa hai mép lỗ và cường độ bu lông 2 được tính với L_c bằng khoảng cách tới mép cấu kiện được liên kết.

Hình 2: Xác định L_c

Cho các bu lông gần mép, dùng L_c = L_e – h/2. Cho các bu lông khác, dùng L_e = s – h

Trong đó:

L_e: khoảng cách từ tâm lỗ tới mép

s: khoảng cách tâm đến tâm của lỗ

h: đường kính lỗ

Khi tính khoảng cách L_c, đường kính lỗ thực tế (tức là rộng hơn 1/16 inch so với đường kính thân bu lông, theo AISC)

h = d +1/16 in hay đơn giản h = d + 2 mm cho bu lông có d ≤ 24mm và h = d + 3 mm cho bu lông có d > 24mm

Khoảng cách bu lông và khoảng cách tới mép:

Yêu cầu về khoảng cách tối thiểu giữa các bu lông và từ bu lông tới mép có liên quan đến xé rách thép cơ bản. Khoảng cách giữa các bu lông và khoảng cách từ bu lông tới mép, kí hiệu tương ứng là s và L_cđược minh họa trên hình 3.