Trả lời trực tiếp: Liên kết bu lông trong kết cấu thép làm việc theo hai kiểu khác hẳn. Kiểu ép mặt truyền lực qua thân bu lông chịu cắt và thành lỗ; kiểu ma sát truyền lực qua ma sát giữa hai bản thép nhờ lực siết lớn. Hai kiểu đòi hỏi hai cách xử lý bề mặt và hai cách siết.
Nội dung thuộc chuyên trang Hàn & kết cấu của cokhi.net, cụm Kết cấu thép — ở góc nguyên lý truyền lực, không thay thế hồ sơ thiết kế kết cấu đã được thẩm tra.
Hai đường truyền lực khác nhau ở chỗ nào?
Cùng một cụm gồm hai bản thép chồng lên nhau và mấy con bu lông, nhưng lực có thể đi theo hai đường hoàn toàn khác.
Kiểu ép mặt. Hai bản thép trượt tương đối một chút cho tới khi thành lỗ tì vào thân bu lông. Từ đó, lực truyền qua thân bu lông chịu cắt và qua áp lực ép lên thành lỗ. Khe hở lắp của lỗ bị "ăn hết" ngay khi chịu tải, nên cụm có một lượng dịch chuyển ban đầu.
Kiểu ma sát. Bu lông được siết tới lực căng rất lớn, ép chặt hai bản thép vào nhau. Lực ngang truyền qua ma sát giữa hai mặt tiếp xúc, và chừng nào ma sát còn đủ thì hai bản không hề trượt — thân bu lông gần như không chịu cắt. Cơ chế lực căng ban đầu tạo ra ma sát này chính là nội dung bài cơ học mối ghép ren.
Khác biệt then chốt: kiểu ma sát không cho phép dịch chuyển, kiểu ép mặt thì có. Vì vậy kết cấu chịu tải đổi chiều, chịu rung hoặc yêu cầu không biến dạng thường dùng kiểu ma sát.
Hệ quả của việc chọn kiểu liên kết
| Kiểu ép mặt | Kiểu ma sát | |
|---|---|---|
| Lực đi qua đâu | Thân bu lông chịu cắt + thành lỗ chịu ép | Mặt tiếp xúc hai bản thép |
| Dịch chuyển khi chịu tải | Có, bằng khe hở lắp | Gần như không |
| Yêu cầu lực siết | Siết chặt vừa đủ để cụm không long | Siết tới lực căng quy định, phải kiểm soát được |
| Yêu cầu bề mặt tiếp xúc | Không đặc biệt | Phải làm sạch tới trạng thái quy định — không sơn, không dầu, không vảy cán |
| Hay dùng khi | Tải tĩnh, một chiều, cho phép dịch chuyển nhỏ | Tải đổi chiều, có rung, yêu cầu không biến dạng |
Bảng nêu quan hệ đường truyền lực – yêu cầu thi công; bảng không nêu trị số lực siết, hệ số ma sát hay khả năng chịu lực, vì các trị số này do hồ sơ thiết kế và tiêu chuẩn áp dụng quy định. Cách đọc ký hiệu cấp bền ghi trên đầu bu lông trình bày ở bài cấp bền bu lông theo TCVN 1916.
Vì sao bề mặt tiếp xúc lại là yêu cầu thi công của kiểu ma sát?
Vì trong kiểu ma sát, bề mặt tiếp xúc chính là chi tiết chịu lực. Lực truyền được bao nhiêu phụ thuộc vào lực siết nhân với khả năng bám của hai mặt — nên bất cứ thứ gì làm hai mặt trơn hơn đều làm giảm sức chịu của liên kết.
Ba thứ hay bị bỏ qua tại công trường và cả ba đều làm hỏng đúng cơ chế này:
① Sơn phủ lên vùng tiếp xúc. Màng sơn vừa trơn vừa mềm, nên nó vừa giảm ma sát vừa bị ép lún theo thời gian, làm lực siết tụt xuống. Vì vậy hệ sơn bảo vệ phải chừa vùng liên kết ma sát, xem cách bố trí lớp ở bài hệ sơn bảo vệ kết cấu thép. ② Dầu mỡ và bụi bẩn còn sót lại từ khâu gia công hoặc vận chuyển. ③ Vảy cán và gỉ bám lỏng. Chuẩn bị bề mặt cho vùng này thuộc cùng nhóm công việc với chuẩn bị trước khi sơn, xem tiêu chuẩn độ sạch ở bài phun bi, phun cát.
Vì sao lực siết phải kiểm soát được, và mất lực siết thì sao?
Với kiểu ma sát, lực siết là thông số chịu lực, không phải thao tác "siết cho chặt". Siết thiếu thì liên kết trượt sớm hơn tính toán; siết quá thì bu lông có thể chảy dẻo và mất chính lực căng vừa tạo ra.
Lực siết còn giảm dần theo thời gian vì ba nguyên nhân: các đỉnh nhấp nhô trên bề mặt bị san phẳng trong những chu kỳ tải đầu, lớp phủ hoặc bụi kẹt giữa hai mặt bị ép lún, và bản thân bu lông chịu chùng ứng suất. Đó là lý do quy trình thi công thường yêu cầu kiểm tra lại lực siết sau một khoảng thời gian.
Với liên kết chịu tải thay đổi, mất lực siết còn nguy hiểm hơn một bậc: khi liên kết bắt đầu trượt, thân bu lông chuyển sang chịu cắt và chịu tải chu kỳ mà nó không được thiết kế cho — cơ chế phá hủy khi đó là mỏi, trình bày ở bài mỏi chi tiết máy và đường cong S-N.
Chọn liên kết bu lông hay liên kết hàn?
Hai phương án giải cùng bài toán nối nhưng khác nhau ở nơi thực hiện và khả năng tháo. Hàn cho liên kết liền khối, không có khe hở và không cần bảo dưỡng lực siết, nhưng chất lượng phụ thuộc tay nghề và điều kiện tại chỗ, và kiểm tra khó hơn — xem yêu cầu ở bài checklist kiểm tra chất lượng mối hàn. Bu lông cho liên kết tháo được, kiểm tra bằng mắt dễ hơn, và ít phụ thuộc điều kiện thời tiết tại công trường.
Cách so sánh đầy đủ ba nhóm liên kết theo tải, khả năng tháo lắp và chi phí trình bày ở bài chọn mối ghép: đinh tán, bu lông hay hàn; quy cách thép hình dùng làm cấu kiện nằm ở bài TCVN 7571: thép hình U, I, H.
Câu hỏi thường gặp
Có được dùng lại bu lông cường độ cao đã tháo ra không? Nguyên tắc chung là không, vì khi siết tới lực căng quy định, bu lông đã chịu một mức biến dạng đáng kể và đặc tính của nó không còn như ban đầu. Quy định cụ thể phải theo tiêu chuẩn áp dụng cho công trình chứ không quyết theo cảm quan.
Vì sao liên kết ma sát vẫn cần đủ số bu lông dù ma sát mới là thứ chịu lực? Vì mỗi bu lông chỉ tạo ra lực ép trên một vùng quanh nó. Ít bu lông thì áp lực phân bố không đều, có chỗ hai bản gần như không ép vào nhau và ma sát ở đó không phát huy. Số lượng và khoảng cách bố trí do thiết kế quy định.
Liên kết bị trượt một lần rồi thì có tự phục hồi không? Không. Sau khi trượt, hai bản thép đã dịch chuyển và thành lỗ đã tì vào thân bu lông — liên kết chuyển sang làm việc như kiểu ép mặt, trong khi nó không được thiết kế cho kiểu đó. Trượt là dấu hiệu phải kiểm tra lại cả cụm.