Bu lông, hay bulong, là chi tiết cơ khí không thể thiếu trong các kết cấu, đóng vai trò liên kết các bộ phận một cách chắc chắn. Một trong những đặc tính quan trọng nhất quyết định độ bền và độ an toàn của bu lông chính là cường độ kéo đứt tiêu chuẩn của bu lông. Hiểu rõ về cường độ này giúp bạn lựa chọn đúng loại bu lông cho từng ứng dụng, đảm bảo tính bền vững và an toàn cho công trình hoặc thiết bị. Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn chi tiết về tiêu chuẩn này, từ cấp độ bền đến các loại bu lông chuyên dụng.
Cấp độ bền và Cường độ kéo đứt của Bu lông
Cấp độ bền của bu lông là một chỉ số quan trọng, thể hiện khả năng chịu lực của bu lông dưới các tác động khác nhau, đặc biệt là lực kéo. Hệ thống cấp độ bền phổ biến nhất được quy định theo tiêu chuẩn ISO 898-1, bao gồm hai con số phân cách bằng dấu chấm (ví dụ: 4.6, 8.8, 10.9).
Ý nghĩa cấp độ bền bu lông
Con số đầu tiên (ví dụ: 4, 8, 10) nhân với 100 sẽ cho biết giá trị cường độ kéo đứt tiêu chuẩn danh nghĩa (nominal ultimate tensile strength) của bu lông tính bằng N/mm². Đây chính là giá trị fub mà chúng ta sẽ gặp trong các công thức. Con số thứ hai (ví dụ: .6, .8, .9) nhân với 10 lần con số đầu tiên sẽ cho biết tỷ lệ giữa giới hạn chảy (yield strength) và cường độ kéo đứt tiêu chuẩn. Giá trị này giúp xác định giới hạn chảy danh nghĩa của bu lông. Ví dụ, bu lông cấp bền 8.8 có cường độ kéo đứt tiêu chuẩn danh nghĩa là 8 x 100 = 800 N/mm² và giới hạn chảy danh nghĩa là 0.8 x (8 x 100) = 640 N/mm².
Công thức tính cường độ tính toán chịu kéo (ftb) theo cấp bền
Trong tính toán kết cấu, chúng ta thường sử dụng cường độ tính toán chịu kéo của bu lông (ftb), được suy ra từ cường độ kéo đứt tiêu chuẩn (fub) dựa trên hệ số an toàn hoặc quy định của từng tiêu chuẩn thiết kế. Các công thức phổ biến để xác định ftb dựa trên cấp độ bền như sau:
Xem Thêm Bài Viết:
- Cách vẽ bu lông trong CAD 2007 chi tiết
- Súng Mở Bu Lông Matador: Đánh Giá Chi Tiết
- Chi tiết bản vẽ cột thép bắt bu lông
- Mua Súng Xiết Bu Lông Ingersoll Chính Hãng
- Mác bu lông 8.8 là gì? Ý nghĩa và ứng dụng
- Đối với các cấp độ bền thấp như 4.6, 5.6, 6.6: ftb = 0,42 fub
- Đối với các cấp độ bền phổ biến như 4.8, 5.8: ftb = 0,4 fub
- Đối với các cấp độ bền cao thường dùng trong kết cấu thép như 8.8, 10.9: ftb = 0,5 fub
Dựa trên các công thức này và giá trị fub tương ứng với từng cấp bền (ví dụ, fub của 8.8 là 800 N/mm²), ta có thể tính được cường độ tính toán chịu kéo (ftb) cho từng loại bu lông. Cường độ tính toán chịu kéo này là giá trị được sử dụng để kiểm tra khả năng chịu lực của bu lông trong các liên kết cụ thể theo các tiêu chuẩn kỹ thuật.
Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn của Bu lông Neo (Anchor Bolt)
Bu lông neo, hay còn gọi là bu lông móng, là loại bu lông được sử dụng để neo các kết cấu vào bê tông, thường dùng trong móng cột, móng máy, v.v. Khả năng chịu lực kéo của bu lông neo đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc đảm bảo sự ổn định của toàn bộ công trình.
Cường độ tính toán chịu kéo của bu lông neo (fba) được ký hiệu là fba. Theo một số tiêu chuẩn thiết kế, công thức tính fba được xác định là:
fba = 0,4 fub
Trong đó, fub vẫn là cường độ kéo đứt tiêu chuẩn của vật liệu thép làm bu lông neo. Giá trị fub này phụ thuộc vào mác thép được sử dụng để sản xuất bu lông neo. Ví dụ, bu lông neo có thể làm từ các loại thép như CT38, 16MnSi, 09Mn2Si với các cường độ kéo đứt tiêu chuẩn khác nhau.
Bảng dưới đây minh họa trị số cường độ tính toán chịu kéo của bu lông neo (fba) theo đường kính và mác thép, thường được quy định trong các tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng tại Việt Nam (Đơn vị tính: N/mm²):
| Đường kính bu lông (mm) | Mác thép CT38 | Mác thép 16MnSi | Mác thép 09Mn2Si |
|---|---|---|---|
| 12 ÷ 32 | 150 | 192 | 190 |
| 33 ÷ 60 | 150 | 190 | 185 |
| 61 ÷ 80 | 150 | 185 | 180 |
| 81 ÷ 140 | 150 | 185 | 165 |
Bảng này cho thấy, với cùng một loại thép, cường độ tính toán chịu kéo có thể giảm nhẹ khi đường kính bu lông tăng lên, đặc biệt đối với các loại thép hợp kim như 16MnSi và 09Mn2Si ở đường kính lớn. Việc lựa chọn mác thép và đường kính phù hợp là cần thiết để đảm bảo bu lông neo đạt được cường độ kéo đứt tiêu chuẩn và cường độ tính toán chịu kéo yêu cầu cho liên kết móng.
Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn của Bu lông Cường độ Cao
Bu lông cường độ cao (như cấp bền 8.8, 10.9, 12.9) được sử dụng trong các liên kết chịu lực quan trọng trong các công trình kết cấu thép như dầm, cột, cầu, tháp… Chúng có khả năng chịu lực rất lớn nhờ vật liệu thép đặc biệt và quy trình xử lý nhiệt.
Cường độ tính toán chịu kéo của bu lông cường độ cao (fhb) được ký hiệu là fhb. Trong liên kết truyền lực bằng ma sát (friction type connection), khả năng chịu cắt của liên kết chủ yếu dựa vào lực ma sát giữa các bề mặt cấu kiện được tạo ra bởi lực siết chặt của bu lông. Do đó, cường độ tính toán chịu kéo của bu lông trong trường hợp này liên quan đến khả năng duy trì lực siết. Theo một số tiêu chuẩn, công thức được áp dụng là:
fhb = 0,7 fub
Công thức này dựa trên cường độ kéo đứt tiêu chuẩn (fub) của bu lông cường độ cao, tương ứng với cấp độ bền của nó. Ví dụ, bu lông 10.9 có fub khoảng 1000 N/mm², khi đó fhb = 0.7 1000 = 700 N/mm². Cần lưu ý rằng, đối với liên kết truyền lực bằng chịu cắt (bearing type connection), việc tính toán khả năng chịu lực của bu lông có thể dựa trên cường độ cắt và cường độ chịu ép mặt, mặc dù cường độ kéo đứt tiêu chuẩn vẫn là thông số cơ bản của vật liệu.
Để hiểu rõ hơn về các đặc tính của vật liệu thép làm bu lông và cấu kiện, chúng ta có thể tham khảo bảng cường độ tiêu chuẩn fy (giới hạn chảy), tiêu chuẩn fu (sức bền kéo đứt) và cường độ tính toán f của thép các bon theo tiêu chuẩn TCVN 5709 : 1993 (Đơn vị tính: N/mm²). Bảng này thường áp dụng cho thép tấm, thép hình, cung cấp thông tin về đặc tính cơ học của vật liệu gốc có thể dùng để sản xuất bu lông hoặc các cấu kiện liên kết.
| Mác thép | Cường độ tiêu chuẩn fy và cường độ tính toán f của thép với độ dày t (mm) | Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn fu không phụ thuộc bề dày t (mm) |
|---|---|---|
| t ≤ 20 | 20 < t ≤ 40 | |
| fy | f | |
| CCT34 | 220 | 210 |
| CCT38 | 240 | 230 |
| CCT42 | 260 | 245 |
Bảng này cho thấy cường độ kéo đứt tiêu chuẩn (fu) của các mác thép CCT34, CCT38, CCT42 lần lượt là 340, 380, 420 N/mm². Đây là cường độ kéo đứt tiêu chuẩn của vật liệu thép, khác với cường độ kéo đứt tiêu chuẩn của bu lông (fub) vốn là đặc tính của chính bu lông thành phẩm, phụ thuộc vào mác thép chế tạo bu lông và quy trình sản xuất của nó.
Cường độ tính toán chịu kéo của Sợi Thép Cường độ Cao
Ngoài các loại bu lông thông thường và bu lông cường độ cao, trong kỹ thuật còn sử dụng sợi thép cường độ cao trong các ứng dụng đặc biệt như kết cấu bê tông ứng lực trước (bê tông dự ứng lực). Sợi thép này được kéo căng trước khi bê tông đóng rắn để tạo ra lực nén trong bê tông, giúp tăng khả năng chịu lực và giảm nứt cho cấu kiện.
Cường độ tính toán chịu kéo của sợi thép cường độ cao (fth) được ký hiệu là fth. Công thức tính fth thường được quy định là:
fth = 0,63 fu
Trong đó, fu là cường độ tiêu chuẩn của sợi thép theo sức bền kéo đứt. Giá trị fu này rất cao, có thể lên tới 1860 N/mm² hoặc hơn, tùy thuộc vào loại sợi thép dự ứng lực. Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn (fu) của sợi thép là một thông số quan trọng để tính toán lực kéo căng cần thiết và kiểm tra khả năng chịu lực của sợi thép trong cấu kiện bê tông ứng lực trước. Mặc dù không phải là bu lông, khái niệm cường độ kéo đứt vẫn là đặc tính cơ bản để đánh giá khả năng chịu lực của vật liệu thép dạng sợi này.
Phân biệt Lực Tải, Lực Uốn và Lực Bền Kéo của Bu lông
Khi nói về khả năng chịu lực của bu lông, ngoài cường độ kéo đứt tiêu chuẩn, chúng ta còn gặp các khái niệm như lực tải, lực uốn và lực bền kéo. Các khái niệm này mô tả các khía cạnh khác nhau về khả năng chịu lực của bu lông dưới các dạng tác động khác nhau và thường được kiểm tra theo các tiêu chuẩn quốc tế như ASTM, SAE, ISO.
- Lực tải (Proof Load): Đây là giá trị lực kéo mà bu lông phải chịu được mà không bị biến dạng vĩnh viễn. Nó tương ứng với giới hạn chảy của vật liệu bu lông. Bu lông cần chịu được lực này trong một khoảng thời gian nhất định (ví dụ 10 giây) mà khi bỏ tải ra, chiều dài của bu lông không thay đổi đáng kể. Lực tải thể hiện khả năng chịu lực của bu lông trong phạm vi biến dạng đàn hồi, nơi bu lông có thể trở lại hình dạng ban đầu sau khi bỏ tải.
- Lực uốn (Wedge Tensile Strength/Axial Tensile Strength): Khả năng chịu lực uốn của bu lông liên quan đến khả năng chịu kéo khi tải trọng không đặt hoàn toàn dọc trục. Thử nghiệm lực uốn thường sử dụng một vòng đệm hình nêm để tạo ra ứng suất không đồng đều trên mặt dưới của đầu bu lông, mô phỏng điều kiện làm việc thực tế khi các bề mặt liên kết không song song hoàn hảo. Lực uốn thể hiện khả năng chịu kéo kết hợp với uốn.
- Lực bền kéo (Tensile Strength/Ultimate Tensile Strength): Đây chính là giá trị lực kéo lớn nhất mà bu lông có thể chịu được trước khi bị đứt hoàn toàn. Giá trị này tương ứng trực tiếp với cường độ kéo đứt tiêu chuẩn của bu lông (fub) nhân với diện tích tiết diện chịu kéo hiệu dụng của bu lông. Lực bền kéo là chỉ số cuối cùng về khả năng chịu lực kéo của bu lông.
Hình ảnh minh họa bulong cấp bền 8.8 và tiêu chuẩn cường độ kéo đứt
Ví dụ cụ thể với bu lông cấp bền 8.8 theo tiêu chuẩn ASTM:
- Bu lông có khả năng chịu tải (Lực tải) là 580 N/mm².
- Bu lông có khả năng chịu uốn (Lực uốn) là 640 N/mm².
- Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn (Lực bền kéo) là 800 N/mm².
Các tiêu chuẩn khác nhau (như ASTM, SAE, ISO) có thể có yêu cầu và phương pháp thử nghiệm khác nhau, dẫn đến các giá trị đặc trưng cho từng loại bu lông cũng khác nhau. Không phải tiêu chuẩn nào cũng đòi hỏi kiểm tra đầy đủ cả ba loại lực này. Chẳng hạn, tiêu chuẩn SAE J429 chỉ yêu cầu kiểm tra khả năng chịu tải và cường độ kéo đứt.
Tóm lại, lực tải là lực tối thiểu mà bu lông chịu được mà không bị biến dạng vĩnh cửu (tương ứng giới hạn chảy). Lực uốn là khả năng chịu kéo khi có yếu tố uốn kèm theo. Và lực bền kéo là lực lớn nhất mà bu lông có thể chịu được trước khi bị phá hủy hoàn toàn (tương ứng cường độ kéo đứt tiêu chuẩn). Hiểu rõ sự khác biệt giữa các khái niệm này giúp lựa chọn và đánh giá đúng chất lượng bu lông cho các ứng dụng khác nhau. Việc sản xuất và cung cấp bu lông đạt đúng các tiêu chuẩn cường độ kéo đứt và các đặc tính cơ học khác là vô cùng quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ an toàn và tuổi thọ của công trình. Các sản phẩm bulong chất lượng, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật, đóng vai trò then chốt trong mọi liên kết.
Hiểu về cường độ kéo đứt tiêu chuẩn của bu lông cùng các đặc tính chịu lực khác giúp bạn đưa ra quyết định chính xác khi lựa chọn vật tư cho dự án của mình, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế. Thông tin chi tiết về các loại bu lông và tiêu chuẩn liên quan có thể được tìm thấy tại các nguồn cung cấp uy tín như halana.vn.
