Bu lông cường độ cao (BLCĐC) đóng vai trò nền tảng trong việc tạo nên sự vững chắc và an toàn cho các mối nối của kết cấu thép, đặc biệt trong ngành xây dựng hiện đại. Việc xiết bu lông cường độ cao đúng kỹ thuật không chỉ là một yêu cầu mà còn là yếu tố then chốt quyết định tuổi thọ và khả năng chịu lực của toàn bộ công trình. Mặc dù tầm quan trọng đã được công nhận, thực tế thi công cho thấy có nhiều cách tiếp cận khác nhau đối với quy trình xiết loại bu lông này trên các công trường. Bài viết này của halana.vn sẽ cung cấp hướng dẫn chi tiết về các phương pháp xiết BLCĐC đang được áp dụng phổ biến, giúp người đọc có cái nhìn toàn diện và áp dụng chuẩn xác nhất.
Phân loại liên kết sử dụng bu lông cường độ cao
Trong lĩnh vực kết cấu thép, các mối nối sử dụng bu lông có thể được phân loại dựa trên cách thức truyền lực chính mà chúng phải chịu. Việc hiểu rõ loại liên kết sẽ giúp xác định mức độ lực căng cần thiết khi xiết bu lông, đảm bảo hiệu quả làm việc tối ưu và an toàn cho kết cấu. Có ba loại liên kết bu lông chính cần phân biệt rõ.
Liên kết chịu cắt
Loại liên kết chịu cắt là dạng đơn giản nhất, trong đó lực tác động chủ yếu vuông góc với thân bu lông. Lực này sẽ gây ra hiện tượng cắt trên thân bu lông và ép lên thành lỗ trên các bản thép được nối. Ưu điểm của liên kết này là thi công nhanh chóng và khả năng chịu lực tốt trong điều kiện tĩnh.
Tuy nhiên, nhược điểm cố hữu của liên kết chịu cắt là sự tồn tại của khe hở giữa thân bu lông và lỗ khoan (lỗ thường lớn hơn thân bu lông một chút), dẫn đến khả năng bị trượt tương đối giữa các bản thép trước khi bu lông thực sự chịu cắt. Đối với loại liên kết này, việc xiết bu lông không cần đạt đến một lực căng quá lớn. Mục đích chính của việc xiết chỉ là làm cho các bản thép ép sát vào nhau, loại bỏ khe hở ban đầu. Chỉ cần sử dụng dụng cụ clê thông thường để đạt đến trạng thái khít chặt là đủ, không cần áp dụng mô men xiết cao.
Xem Thêm Bài Viết:
- Cấp độ bền bu lông A2-70: Bảng tra và giải thích
- Atlat Bu Lông: Cẩm Nang Toàn Diện Về Bu Lông, Ốc Vít
- Hướng Dẫn Mua Bu Lông M5x50 Trực Tuyến Nhanh
- Bu lông HM12.7 Hệ Inches: Thông tin chi tiết
- Bộ Tháo Bu Lông Ốc Vít Gãy Chất Lượng Cao
Liên kết không trượt (Liên kết ma sát)
Liên kết không trượt, hay còn gọi là liên kết ma sát, là loại liên kết yêu cầu bu lông phải được xiết đến một lực căng rất lớn. Mục đích của việc tạo ra lực căng trước cực đại trong bu lông là để ép chặt các bản thép lại với nhau, tạo ra một lực ma sát đủ lớn trên bề mặt tiếp xúc của chúng. Lực ma sát này chính là yếu tố chịu lực chính, ngăn chặn sự trượt tương đối giữa các bản thép khi chịu tải trọng.
Loại liên kết này đặc biệt quan trọng và được sử dụng cho những kết cấu yêu cầu độ cứng cao và không cho phép xảy ra bất kỳ sự trượt nào, dù là nhỏ nhất. Điển hình là các công trình như cầu, dầm cầu trục chịu tải trọng động, hoặc các kết cấu nhạy cảm với biến dạng. Trong các trường hợp này, việc sử dụng bu lông cường độ cao là bắt buộc để có thể chịu được lực căng lớn theo yêu cầu thiết kế. Quá trình xiết bu lông cho liên kết không trượt phải đảm bảo đạt được giá trị lực căng khống chế quy định, đây là công đoạn đòi hỏi kỹ thuật và kiểm soát chặt chẽ.
Liên kết chịu kéo
Trong liên kết chịu kéo, lực tác dụng lên bu lông song song và dọc theo trục của nó, khiến bu lông phải chịu lực kéo trực tiếp. Ví dụ phổ biến của loại liên kết này là các mối nối mặt bích hoặc liên kết nối dầm trong khung nhà. Mặc dù các tiêu chuẩn Việt Nam có thể không quy định cụ thể về quy trình xiết đối với liên kết chịu kéo, nhưng các tiêu chuẩn quốc tế uy tín như Mỹ (AISC), Châu Âu hay Úc đều yêu cầu bu lông phải được xiết đến một lực căng đủ lớn.
Lực căng trước này thường được quy định phải lớn hơn lực kéo mà bu lông dự kiến phải chịu khi kết cấu làm việc dưới tải trọng. Mục đích của việc xiết chặt là để đảm bảo rằng các bề mặt tiếp xúc (ví dụ: mặt bích) không bị tách ra khi chịu tải. Tương tự như liên kết không trượt, việc xiết bu lông cường độ cao đến lực căng quy định là yếu tố cốt lõi để đảm bảo tính toàn vẹn và khả năng chịu lực của liên kết chịu kéo. Độ chính xác trong quá trình xiết, trong một sai số cho phép, là cực kỳ quan trọng.
Các phương pháp xiết bu lông cường độ cao phổ biến
Việc đạt được lực căng trước quy định trong bu lông cường độ cao là thách thức kỹ thuật chính. Lực căng này thường được xác định dựa trên khả năng chịu kéo của bu lông khi bị vặn xoắn, thường tương ứng với khoảng 70% cường độ kéo đứt của vật liệu bu lông. Giá trị lực căng trước tối thiểu có thể khác nhau tùy thuộc vào tiêu chuẩn thiết kế được áp dụng và cấp bền của bu lông. Ví dụ, tiêu chuẩn Mỹ AISC cung cấp bảng tra giá trị lực căng tối thiểu cho các loại bu lông A325 & A490, trong khi tiêu chuẩn Đức DIN 18800-7 quy định cho bu lông cấp bền 8.8 và 10.9. Để đạt được các giá trị này trong thực tế thi công, nhiều phương pháp đã được phát triển và áp dụng.
Phương pháp sử dụng clê lực (Torque Wrench)
Nguyên lý cơ bản của phương pháp xiết bu lông bằng clê lực dựa trên mối quan hệ giữa lực căng tạo ra trong bu lông và mô men xoắn tác dụng lên ê cu (hoặc đầu bu lông). Lý thuyết cho rằng, đối với một loại bu lông cụ thể từ cùng một nhà sản xuất và có cùng tính chất cơ học, một lực căng nhất định sẽ tương ứng với một giá trị mô men xiết xác định.
Giá trị mô men xiết mục tiêu có thể được tham khảo từ các bảng tiêu chuẩn hoặc tính toán bằng công thức thực nghiệm phổ biến như M = k x P x D. Trong công thức này, M là mô men xiết (đơn vị Nm), P là lực căng mong muốn trong bu lông (đơn vị kN), D là đường kính danh nghĩa của bu lông (đơn vị mm), còn k là một hệ số thực nghiệm, thường nằm trong khoảng từ 0,12 đến 0,20. Hệ số k này phụ thuộc vào nhiều yếu tố và có tính phức tạp riêng. Công ty Zamil Steel thường cung cấp bảng tham khảo giá trị mô men xiết để sử dụng trong công tác lắp dựng, ví dụ được thể hiện trong Bảng 3 của bài viết gốc.
Việc thi công xiết bu lông bằng clê lực sử dụng dụng cụ chuyên dụng là clê lực (Torque Wrench) để đo và kiểm soát mô men xoắn tác dụng. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm cố hữu là độ chính xác không cao. Mối quan hệ giữa mô men xiết và lực căng thực tế trong bu lông rất nhạy cảm và bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như độ chính xác của bước ren, đặc điểm bề mặt tiếp xúc giữa ren bu lông và ren ê cu, sự có mặt và loại chất bôi trơn, thậm chí là nhiệt độ môi trường tại thời điểm thi công. Do đó, việc áp dụng một giá trị mô men xiết cố định cho một loại bu lông có thể không đảm bảo đạt được lực căng mong muốn.
Bảng tham khảo lực căng tối thiểu bu lông cường độ cao theo tiêu chuẩn AISC
Các tiêu chuẩn quốc tế như Mỹ (AISC) hay Anh (BS) chỉ cho phép sử dụng phương pháp clê lực như một phương pháp kiểm soát nếu mối quan hệ giữa mô men xiết và lực căng bu lông được xác định trực tiếp tại công trường, chứ không chỉ dựa vào bảng tra hay công thức tính toán chung. Để làm được điều này, người ta sử dụng thiết bị chuyên dụng để đo lực căng thực tế của bu lông khi được xiết bằng clê lực ở một mô men xoắn nhất định.
Một thiết bị phổ biến cho mục đích này là máy thử Skidmore Wilhelm. Thiết bị này hoạt động bằng cách cho bu lông, vòng đệm và ê cu vào máy, sau đó xiết chặtê cu bằng clê lực. Lực căng tạo ra trong bu lông sẽ ép vào một piston thủy lực trong máy, và đồng hồ áp lực của Skidmore Wilhelm sẽ hiển thị giá trị lực căng tương ứng. Bằng cách này, người thi công có thể xác định được giá trị mô men xiết cần thiết trên clê lực để đạt được lực căng thiết kế mong muốn.
Thông thường, bu lông được thử nghiệm và xiết sao cho đạt lực căng cao hơn lực căng thiết kế khoảng 5%. Mức tăng thêm 5% này nhằm tạo sự tin tưởng và bù trừ cho sự khác biệt nhỏ giữa mẫu thử và bu lông được lắp đặt thực tế tại mối nối. Quy định chặt chẽ yêu cầu kiểm tra ít nhất 3 mẫu bu lông từ mỗi lô sản xuất, mỗi loại đường kính và chiều dài khác nhau, trong mỗi ngày lắp dựng tại công trường. Các bu lông dùng cho việc kiểm tra và xác định mô men xiết sẽ không được sử dụng để lắp vào mối nối thực tế. Bất kỳ sự thay đổi nào về điều kiện (lô sản xuất, kích thước bu lông, ngày thi công) đều đòi hỏi phải tiến hành đo lại tại công trường. Theo nhận định từ bài viết gốc, việc sử dụng thiết bị Skidmore Wilhelm hiện chưa phổ biến tại Việt Nam.
Phương pháp quay thêm ê cu (Turn-of-Nut Method)
Phương pháp quay thêm ê cu là một kỹ thuật xiết bu lông cường độ cao được chấp nhận rộng rãi theo các tiêu chuẩn quốc tế như Mỹ, Anh, Úc. Đây là một phương pháp tương đối đơn giản, dựa trên nguyên lý tạo ra lực căng trong bu lông bằng cách kiểm soát độ giãn dài của nó thông qua góc quay thêm của ê cu sau khi đã đạt trạng thái chặt khít ban đầu.
Quy trình thực hiện bắt đầu bằng việc lắp bu lông, vòng đệm và ê cu vào mối nối và xiết chặt sơ bộ bằng dụng cụ thông thường (như clê tay hoặc clê lực ở mô men thấp) sao cho không còn khe hở nhìn thấy được giữa các bản thép được nối. Đây được gọi là trạng thái “chặt khít” (snug tight). Sau khi đạt trạng thái này, ê cu được tiếp tục xiết chặt thêm bằng cách quay một góc xác định trước (ví dụ: 1/3 vòng, 2/3 vòng, tùy thuộc vào kích thước bu lông, bước ren và tổng chiều dày các bản thép).
Bản chất của việc quay thêm ê cu là chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến dọc trục, làm kéo giãn bu lông một lượng nhất định. Lượng giãn dài này sẽ tạo ra lực căng tương ứng trong bu lông. Điều quan trọng là đảm bảo trạng thái “chặt khít” ban đầu được thực hiện cẩn thận. Nếu vẫn còn khe hở giữa các bản thép, việc quay thêm ê cu trước tiên sẽ chỉ làm giảm khe hở đó thay vì kéo giãn bu lông, dẫn đến lực căng cuối cùng không đạt yêu cầu thiết kế.
Khi áp dụng phương pháp này, cần đánh dấu trên ê cu và đầu có ren của bu lông trước khi thực hiện bước quay thêm. Việc đánh dấu này giúp kiểm soát chính xác góc quay tương đối giữa ê cu và bu lông, đảm bảo bu lông được kéo giãn đúng mức. Không được đánh dấu giữa ê cu và bản thép, vì cả ê cu và bu lông đều có thể quay trong quá trình siết, làm sai lệch góc quay tương đối cần kiểm soát. Góc quay thêm yêu cầu thường được quy định chi tiết trong các bảng tiêu chuẩn (ví dụ: Bảng 4 trong bài viết gốc cung cấp góc quay thêm theo AISC), phụ thuộc vào chiều dài bu lông và loại ren. Phương pháp quay thêm ê cu được đánh giá cao vì tính đơn giản, chi phí thấp và khả năng đảm bảo lực căng trước cần thiết, mặc dù theo bài viết gốc, nó vẫn chưa được áp dụng phổ biến tại các công trình theo tiêu chuẩn Việt Nam.
Phương pháp đo lực căng trực tiếp
Thay vì gián tiếp kiểm soát lực căng thông qua mô men xoắn hoặc góc quay, một số phương pháp sử dụng các loại bu lông hoặc vòng đệm đặc biệt cho phép đo hoặc chỉ thị trực tiếp khi đã đạt được lực căng thiết kế. Các phương pháp này thường mang lại độ tin cậy cao trong việc đảm bảo lực căng khống chế.
Bu lông lực kéo khống chế (Tension Control Bolt – TCB)
Bu lông lực kéo khống chế là một loại bu lông có cấu tạo đặc biệt được thiết kế để tự động đạt được lực căng xác định khi được xiết. Đầu ren của bu lông này có một phần chốt nhỏ với các rãnh dọc ở cuối, và một rãnh ngang được tạo ra quanh chu vi thân bu lông, ngay giữa phần đầu chốt và phần ren chính.
Để xiết loại bu lông này, người ta sử dụng một loại clê chuyên dụng có cấu tạo hai chụp cặp đồng trục. Chụp cặp phía trong sẽ kẹp giữ phần chốt nhỏ ở đầu bu lông, trong khi chụp cặp phía ngoài bao quanh ê cu. Hai chụp cặp này sẽ quay ngược chiều nhau: chụp cặp ngoài xiết ê cu, còn chụp cặp trong giữ cố định đầu bu lông. Khi ê cu được xiết, lực căng trong bu lông tăng lên. Đồng thời, ma sát giữa ren ê cu và ren bu lông, cùng với ma sát giữa ê cu và vòng đệm, tạo ra một mô men xoắn tác dụng lên thân bu lông tại rãnh ngang.
Tại một thời điểm nhất định, khi lực căng trong bu lông đạt đến giá trị thiết kế, mô men xoắn do ma sát sẽ đủ lớn để thắng được khả năng chống cắt của vật liệu bu lông tại rãnh ngang đã được thiết kế suy yếu. Kết quả là phần chốt nhỏ ở đầu bu lông sẽ bị cắt rời. Thời điểm chốt bị cắt rời được hiệu chỉnh chính xác để ứng với việc bu lông đã đạt được lực căng thiết kế. Loại bu lông này đã được sử dụng rộng rãi trong các công trình lớn tại Việt Nam như Nhà máy Xi măng Hoàng Thạch mở rộng hay cầu Cần Thơ. Ưu điểm nổi bật của TCB là tốc độ thi công nhanh và khả năng đảm bảo lực căng chính xác. Tuy nhiên, chi phí của loại bu lông này đắt hơn đáng kể so với bu lông thông thường. Việc bảo quản và lắp đặt TCB phải tuân thủ các quy định nghiêm ngặt; ví dụ, nếu bề mặt bu lông bị gỉ, ma sát tăng lên có thể làm chốt bị cắt rời trước khi đạt đủ lực căng cần thiết.
Vòng đệm chỉ lực căng (Tension Indicator Washer)
Một phương pháp đo lực căng trực tiếp khác là sử dụng vòng đệm đặc biệt có khả năng chỉ thị khi đã đạt lực căng mong muốn. Loại vòng đệm này, đôi khi được gọi là vòng đệm có nhíp hoặc có vấu, được thiết kế với các vấu nhỏ hình cung tròn nổi lên trên một mặt.
Khi bu lông được xiết, lực căng tạo ra trong bu lông sẽ ép chặt ê cu (hoặc đầu bu lông) lên các vấu nhỏ này của vòng đệm. Lực ép này sẽ làm cho các vấu nhỏ bị biến dạng (bị bẹp xuống). Mức độ biến dạng của các vấu tỷ lệ thuận với lực căng trong bu lông.
Để kiểm tra xem lực căng đã đạt hay chưa, người thi công sẽ đo khoảng hở còn lại giữa mặt dưới của ê cu (hoặc đầu bu lông) và bề mặt phẳng của vòng đệm (không có vấu). Việc đo khoảng hở này thường được thực hiện bằng cách luồn các que thăm có chiều dày chuẩn vào khe hở. Khi khoảng hở đạt đến giá trị quy định (thường khi các vấu đã bị bẹp xuống một mức nhất định), điều đó chứng tỏ lực căng thiết kế trong bu lông đã đạt được. Giống như TCB, vòng đệm chỉ lực căng giúp kiểm soát lực căng trực tiếp và quá trình xiết có thể nhanh chóng hơn. Tuy nhiên, chi phí cho loại vòng đệm này cũng cao hơn loại thông thường, và việc bảo quản cần cẩn thận để tránh ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của các vấu.
Việc xiết bu lông cường độ cao trong kết cấu thép đòi hỏi sự chính xác và tuân thủ kỹ thuật nghiêm ngặt. Lựa chọn phương pháp xiết phù hợp, từ clê lực, quay thêm ê cu đến các giải pháp đo lực trực tiếp như bu lông lực kéo khống chế hay vòng đệm có nhíp, đều ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và an toàn của công trình. Nắm vững các nguyên tắc và thực hành chuẩn mực khi xiết bu lông cường độ cao sẽ góp phần nâng cao chất lượng tổng thể của mọi dự án xây dựng.
