Liên kết Bu lông và những điều bạn cần nắm rõ

Liên kết bu lông là thành phần không thể thiếu trong kết cấu nhà thép nó sử dụng để lắp ráp, liên kết, ghép nối các chi tiết thành hệ thống khối, khung giàn. Bu lông làm việc dựa trên nguyên lý ma sát giữa các vòng ren của bu lông và đai ốc ( ê cu ) để kẹp chặt các chi tiết lại với nhau. Để hiểu rõ hơn về “liên kết bu lông là gì?” và môi trường làm việc, khả năng chịu lực của bulong trong kết cấu thép bạn cần nắm rõ các kiến thức sau đây:

A. Cấu tạo chung của Bu lông liên kết

Một liên kết bu lông hoàn chỉnh thường gồm có 4 chi tiết:

Thân bu lông:

• Là đoạn thép có tiết diện hình tròn có đường kính được kí kiệu là d và có kích thước từ 12÷48 mm. Thường sử dụng nhất là trong khoảng d = 20÷30 mm. Trường hợp đặc biệt với bu lông neo đường kính thân bu lông có thể lên tới 100mm.
• Đường kính trong phần bị ren được kí hiệu là do (do = 0,85d).
• Đối với bulong tiện ren lửng (DIN 931): Chiều dài của phần ren kí hiệu là lo (lo ≈ 2,5d). Chiều dài của phần không tiện ren phải nhỏ hơn bề dày của tập bản thép khi lắp liên kết bu lông xuyên qua từ 2÷3mm.
• Đối với bulong tiện ren suốt (DIN 933): Chiều dài của phần ren chính là chiều dài bu lông, được kí hiệu là l, có kích thước từ 35 ÷ 300 mm.

Mũ bu lông:

• Mũ bu lông thường sử dụng hình lục giác có các góc được mài vát.
• Đường kính hình tròn ngoại tiếp của mũ bu lông được kí hiệu là D (D = 1,7d)
• Bề dày của mũ bulong được kí hiệu là h (h = 0,6d)
• Đường kính hình tròn nội tiếp của mũ bu lông kí hiệu là S, thường là số chẵn: S = 12, 14, 16, 18,…..

Đai ốc (Ê cu):

• Ê cu cũng thường có hình dạng lục giác được khoan lỗ và tiện ren giống như ren của phần thân (bước ren giống nhau).
• Bề dày của đai ốc: h ≥ 0,6d

Vòng đệm (long đen):

Có hình tròn để phân phối áp lực của êcu lên mặt kết cấu thép cơ bản.

Các bạn có thể thấy rằng: Các kích thước lo, do, D và h đều quy định theo đường kính thân bu lông d; nếu d càng lớn thì yêu cầu các kích thước đó cũng càng lớn.

>>> Xem thêm: Bảng tra kích thước bu lông đai ốc tiêu chuẩn

B. Phân loại bu lông liên kết

1. Bu lông thô, bu lông thường

Loại này được sản xuất từ thép Cacbon bằng cách rèn, dập. Độ chính xác thấp nên đường kính thân bu lông phải làm nhỏ hơn đường kính gỗ 2÷3mm. Lỗ của loại bu lông này được làm bằng cách đột hoặc khoan từng bản riêng rẽ. Đột thì mặt lỗ không phẳng, phần thép xung quanh lỗ 2÷3 mm bị giòn vì biến cứng nguội. Do độ chính xác không cao nên khi ghép tập bản thép các lỗ không hoàn toàn trùng khít nhau, bu lông không thể tiếp xúc chặt với thành lỗ.

Loại bulông này rẻ, sản xuất nhanh và dễ đặt vào lỗ nhưng chất lượng không cao. Khi làm việc (chịu trượt) sẽ biến dạng nhiều. Vì vậy, không nên dùng chúng trong các công trình quan trọng. Chỉ nên dùng bulông thông và bulông thường khi chúng làm việc chịu kéo hoặc để định vị các cấu kiện khi lắp ghép.

2. Bu lông tinh

Bu lông tinh được chế tạo từ thép carbon, thép hợp kim thấp bằng cách tiện, độ chính xác cao. Đường kính lỗ không lớn hơn đường kính bulông quá 0,3mm. Tất cả các phần đều phải được gia công cơ khí. Có hai loại bulông tinh: loại thường lắp vào lỗ có khe hở và loại lắp vào lỗ không có khe hở, loại thứ hai có đường kính phần ren nhỏ hơn đường kính phần không ren.

Khe hở giữa thân và lỗ bulông nhỏ => Liên kết chặt, biến dạng ban đầu của liên kết nhỏ, khả năng chịu lực cao.

3. Bu lông cường độ cao

Khái niệm

Bu lông cường độ cao được làm từ thép hợp kim sau đó gia công nhiệt để đạt lực xiết và lực kéo theo yêu cầu. Bu lông cường độ cao được làm bằng thép cường độ cao nên có thể vặn êcu rất chặt làm thân bulông chịu kéo và gây lực ép rất lớn lên tập bản thép liên kết.

Khi chịu lực, giữa mặt tiếp xúc của các bản thép có lực ma sát lớn chống lại sự trượt tương đối giữa chúng. Như vậy lực truyền từ cấu kiện này sang cấu kiện khác chủ yếu do lực ma sát.

Bu lông cường độ cao có khả năng chịu lực lớn, liên kết ít biến dạng nên được dùng rộng rãi và thay thế cho liên kết đinh tán trong kết cấu chịu tải trọng nặng và tải trọng động.

Sau khi chế tạo chúng được gia công nhiệt nên có cường độ rất cao. Có thể tạo lực kéo rất lớn trong thân bu lông để ép các bản thép lại, tạo lực ma sát => Khả năng chịu lực rất cao.

Cấp bền của bu lông

Tuỳ theo vật liệu làm bu lông, chia ra các lớp độ bền sau:

     4.6     4.8     5.6     5.8    6.6    8.8    10.9    12.9

Trong đó, bu lông có cấp độ bền từ 8.8 trở lên được gọi là bu lông cường độ cao.

Từ cấp độ bền của bulong có thể xác định được cường độ của vật liệu sản xuất của bu lông.

Ý nghĩa của các chữ số thể hiện cấp bền bu lông

• Chữ số đầu x 10 = cường độ kéo đứt tức thời fu (daN/mm2).
• Tích của 2 chữ số = cường độ chảy của vật liệu thép fy  (daN/mm2).

Ví dụ:

• lực kéo = 4 x 10 = 40 daN/mm2 = 4000 daN/cm2.
• lực chảy = 4 x 6 = 24 daN/mm2 = 2400 daN/cm2.

C. Nguyên lý làm việc và khả năng chịu lực của các liên kết bu lông

1. Đối với liên kết bu lông thô, thường, tinh

a. Các giai đoạn chịu lực

Do vặn đai ốc/êcu => thân bu lông chịu kéo, các bản thép bị xiết chặt lại, tạo thành lực ma sát giữa mặt tiếp xúc của các bản thép Nms.

Dưới tác dụng của lực kéo dọc trục N, các bản thép có xu hướng trượt tương đối với nhau (Hình a).

• Giai đoạn 1 – khi N còn nhỏ (N < Nms): các bản thép chưa trượt tương đối với nhau. Lực truyền giữa các bản thép thông qua ma sát. Bulông chưa chịu lực ngoại trừ lực kéo ban đầu do vặn êcu.
• Giai đoạn 2 – khi N tương đối lớn (N ≥ Nms): các bản thép trượt tương đối với nhau, thân bulông tỳ sát về một phía của thành lỗ. Ngoại lực tác dụng N do thân bulông và masat chịu (Hình b).
• Giai đoạn 3 – khi N khá lớn (N >> Nms): lực masat giảm dần và bằng không. Lực tác dụng N là hoàn toàn do thân bulông chịu. Đồng thời bản thép chịu ép mặt do thân bulông tỳ lên thành lỗ.
• Giai đoạn 4 – khi liên kết bị phá hoại: Có 2 khả năng phá hoại có thể xảy ra:
  • Thân bulông bị cắt đứt
  • Thép cơ bản bị phá hoại do đứt các đầu bản thép hay đứt các bản thép ở giữa 2 lỗ bulông (thân bulông không bị phá hoại).

Trong thực tế thiết kế, chỉ cần quan tâm đến giai đoạn làm việc cuối cùng của liên kết. Giai đoạn liên kết bị phá hoại dùng để tính khả năng chịu lực của liên kết.

b. Khả năng chịu trượt khi bu lông bị cắt đứt