Trong kết cấu thép, liên kết bu lông được sử dụng để ghép nối các cấu kiện, bản thép và chi tiết riêng lẻ thành một hệ kết cấu hoàn chỉnh. Đây là phương pháp liên kết phổ biến trong nhà thép tiền chế, nhà xưởng và nhiều công trình kết cấu thép nhờ khả năng thi công nhanh, thuận tiện cho lắp dựng và kiểm soát chất lượng tại công trường.
Tùy vào yêu cầu chịu lực, vị trí liên kết và đặc điểm của công trình, kỹ sư sẽ lựa chọn loại bu lông cũng như phương án bố trí phù hợp. Cùng Phương Nam Group tìm hiểu chi tiết về cấu tạo, các loại bu lông và nguyên tắc bố trí bu lông trong kết cấu thép.
Cấu tạo bu lông trong kết cấu thép
Một bộ bu lông sử dụng trong kết cấu thép thường gồm các thành phần chính:
- Đầu bu lông: tạo điểm tựa khi siết và giữ bu lông trong quá trình lắp đặt.
- Thân bu lông: phần chịu lực chính, có thể gồm đoạn trơn và đoạn ren.
- Đai ốc: được lắp vào phần ren để siết chặt các cấu kiện liên kết.
- Vòng đệm: giúp phân bố lực ép, bảo vệ bề mặt cấu kiện và hỗ trợ duy trì độ ổn định của liên kết.
Bu lông kết cấu có nhiều đường kính, chiều dài, cấp bền và phương pháp chế tạo khác nhau. Việc lựa chọn phải căn cứ vào tính toán thiết kế, tải trọng và yêu cầu làm việc của từng vị trí liên kết.
Các loại bu lông trong kết cấu thép
Dựa vào đặc điểm chế tạo và khả năng chịu lực, bu lông sử dụng trong kết cấu thép có thể chia thành bu lông thô, bu lông thường, bu lông tinh và bu lông cường độ cao.
Bu lông thô và bu lông thường
Bu lông thô và bu lông thường thường được chế tạo từ thép carbon bằng phương pháp rèn hoặc dập. Do độ chính xác gia công không cao, đường kính thân bu lông thường nhỏ hơn đường kính lỗ khoảng 2–3 mm.
Lỗ bu lông có thể được tạo bằng phương pháp đột hoặc khoan trên từng bản thép. Khi sử dụng phương pháp đột, bề mặt lỗ có thể kém phẳng và khu vực thép xung quanh lỗ có khả năng bị ảnh hưởng bởi quá trình biến dạng nguội.
Do có khe hở giữa thân bu lông và thành lỗ, khi liên kết bắt đầu chịu lực trượt, các bản thép có thể xuất hiện một mức dịch chuyển nhất định trước khi thân bu lông tỳ vào thành lỗ.
Ưu điểm của bu lông thô và bu lông thường là giá thành tương đối thấp, dễ chế tạo, lắp đặt nhanh và thuận tiện khi căn chỉnh cấu kiện. Tuy nhiên, khả năng kiểm soát biến dạng của liên kết không cao bằng các loại bu lông có độ chính xác hoặc cấp bền cao hơn.
Vì vậy, loại bu lông này thường được sử dụng trong các liên kết có yêu cầu chịu lực phù hợp, liên kết cấu tạo hoặc phục vụ công tác định vị cấu kiện trong quá trình lắp dựng.
Bu lông tinh
Bu lông tinh thường được chế tạo từ thép carbon hoặc thép hợp kim thấp và được gia công cơ khí với độ chính xác cao.
So với bu lông thông thường, khe hở giữa thân bu lông và lỗ liên kết của bu lông tinh nhỏ hơn. Nhờ đó, thân bu lông có thể tiếp xúc với thành lỗ sớm hơn khi liên kết chịu lực, giúp hạn chế độ trượt ban đầu của các bản thép.
Có thể phân thành hai dạng chính:
- Bu lông tinh lắp vào lỗ gần như không có khe hở.
- Bu lông tinh lắp vào lỗ có khe hở cho phép.
Với loại lắp khít, đường kính phần thân không ren có thể lớn hơn đường kính phần ren. Việc gia công chính xác giúp liên kết chặt hơn, khả năng truyền lực tốt và giảm biến dạng ban đầu của mối nối.
Bu lông cường độ cao
Bu lông cường độ cao được chế tạo từ thép có cường độ cao và trải qua quá trình xử lý nhiệt để đạt các yêu cầu về cơ tính.
Đặc điểm quan trọng của loại bu lông này là khả năng tạo lực siết lớn. Khi bu lông được siết theo yêu cầu thiết kế, lực căng trong thân bu lông tạo ra lực ép lên các bản thép liên kết.
Nhờ khả năng chịu lực cao và kiểm soát tốt trạng thái làm việc của mối nối, bu lông cường độ cao được sử dụng phổ biến trong các công trình kết cấu thép chịu tải trọng lớn hoặc tải trọng động.
Tham khảo: Tổng hợp các liên kết kết cấu thép hiện nay
Tùy theo cơ chế truyền lực và yêu cầu thiết kế, liên kết sử dụng bu lông cường độ cao có thể được chia thành một số dạng sau.
Liên kết chịu cắt
Ở liên kết chịu cắt, lực tác dụng chủ yếu theo phương vuông góc với trục bu lông. Khi các bản thép có xu hướng trượt tương đối, thân bu lông chịu cắt đồng thời tỳ vào thành lỗ của bản thép để truyền lực.
Ưu điểm của dạng liên kết này là cấu tạo tương đối đơn giản, thuận tiện trong quá trình gia công và lắp dựng.
Tuy nhiên, do đường kính lỗ thường lớn hơn đường kính thân bu lông nên liên kết có thể xuất hiện một mức trượt nhất định trước khi thân bu lông tiếp xúc với thành lỗ. Vì vậy, việc thiết kế cần tính toán đầy đủ khả năng chịu cắt của bu lông, khả năng chịu ép mặt của bản thép và các trạng thái phá hoại liên quan.
Liên kết không trượt
Liên kết không trượt sử dụng lực siết của bu lông cường độ cao để ép chặt các bề mặt thép với nhau. Lực ma sát hình thành giữa các bề mặt tiếp xúc có nhiệm vụ hạn chế sự trượt tương đối của các cấu kiện.
Dạng liên kết này phù hợp với những vị trí yêu cầu kiểm soát chặt độ trượt hoặc chịu tải trọng động, chẳng hạn các kết cấu có rung động hoặc tải trọng thay đổi trong quá trình sử dụng.
Đối với liên kết không trượt, lực siết bu lông và việc xử lý bề mặt tiếp xúc cần tuân thủ yêu cầu của hồ sơ thiết kế và tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng cho công trình.
Liên kết bu lông chịu kéo
Ở dạng liên kết này, lực tác dụng chủ yếu theo phương dọc trục bu lông. Bu lông vì vậy phải chịu lực kéo trong quá trình làm việc.
Liên kết bu lông chịu kéo thường gặp tại các vị trí như liên kết mặt bích, một số nút nối dầm, cột hoặc những chi tiết mà tải trọng có xu hướng tách các bản liên kết ra khỏi nhau.
Lực siết và yêu cầu lắp đặt bu lông chịu kéo cần được xác định theo tính toán thiết kế, cấp bền của bu lông và tiêu chuẩn áp dụng cho từng công trình.
Cách bố trí bu lông trong kết cấu thép
Bố trí bu lông ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực và độ ổn định của liên kết.
Nếu khoảng cách giữa các bu lông quá nhỏ, tiết diện bản thép bị suy giảm và khu vực mép thép có nguy cơ bị phá hoại. Ngược lại, nếu khoảng cách quá lớn, liên kết có thể trở nên cồng kềnh, tăng lượng vật liệu sử dụng và khó đảm bảo yêu cầu làm việc của bản thép giữa các vị trí liên kết.
Do đó, khi thiết kế cần kiểm soát đồng thời khoảng cách giữa các bu lông, khoảng cách từ tâm lỗ đến mép cấu kiện, chiều dày bản thép, đường kính lỗ và trạng thái chịu lực của liên kết.
Một số cách bố trí thường gặp gồm:
Bố trí bu lông song song
Các bu lông được bố trí thành các hàng và cột thẳng nhau. Cách bố trí này có hình thức đơn giản, thuận tiện cho gia công, kiểm tra và thi công lắp dựng.
Bố trí bu lông so le
Các hàng bu lông được đặt lệch nhau thay vì nằm trên cùng một đường thẳng. Phương án này có thể được sử dụng tùy theo hình dạng cấu kiện, kích thước bản liên kết và yêu cầu tính toán.
Bố trí bu lông trên thép hình
Đối với thép hình, vị trí các dãy bu lông cần được xác định dựa trên kích thước tiết diện, hình dạng cấu kiện và yêu cầu chịu lực của liên kết.
Với thép góc, số lượng và vị trí hàng bu lông trên cánh thép cũng phải được lựa chọn phù hợp với bề rộng cánh và cấu tạo liên kết. Thay vì bố trí theo kinh nghiệm, các thông số này cần được thể hiện cụ thể trong hồ sơ thiết kế và bản vẽ kỹ thuật.
Một số lưu ý khi thiết kế và thi công liên kết bu lông
Để liên kết làm việc đúng với thiết kế, việc lựa chọn đúng loại bu lông mới chỉ là một phần. Quá trình gia công và lắp dựng cũng cần kiểm soát nhiều yếu tố như:
- Đường kính và vị trí lỗ bu lông.
- Khoảng cách giữa các lỗ và khoảng cách đến mép cấu kiện.
- Cấp bền, đường kính và chiều dài bu lông.
- Tình trạng bề mặt tiếp xúc của các bản thép.
- Lực siết đối với những liên kết có yêu cầu kiểm soát lực căng bu lông.
- Trình tự siết và phương pháp kiểm tra sau khi hoàn thiện liên kết.
Các thông số cụ thể cần được xác định theo hồ sơ thiết kế và tiêu chuẩn áp dụng cho công trình, thay vì sử dụng chung một giá trị cho mọi loại liên kết.
Kết luận
Liên kết bu lông là một trong những phương pháp liên kết phổ biến trong kết cấu thép nhờ thuận tiện cho quá trình chế tạo, vận chuyển và lắp dựng. Tùy theo đặc điểm chịu lực, công trình có thể sử dụng bu lông thường, bu lông tinh hoặc bu lông cường độ cao với cách bố trí khác nhau.
Quan trọng nhất là loại bu lông, số lượng, vị trí, khoảng cách và lực siết phải được xác định theo tính toán thiết kế để liên kết đáp ứng yêu cầu chịu lực của kết cấu.
Nếu doanh nghiệp đang cần giải pháp cho nhà thép tiền chế, nhà xưởng hoặc kết cấu thép, có thể liên hệ Phương Nam Group để được tư vấn theo yêu cầu cụ thể của công trình.
- Hotline: 0906 336 162 – 0906 336 162
- Email: lienhe@phuongnam-group.local
- Website: https://noithatblue.com