Hướng Dẫn Toàn Diện Về Siết Chặt Bu lông Cường Độ Cao: Vượt Ra Ngoài Số Torque

Hướng Dẫn Hoàn Chỉnh Về Siết Chặt Bu lông Cường Độ Cao: Hiểu Biết Cơ Bản

Việc siết chặt bu lông cường độ cao là một quá trình thiết yếu trong xây dựng thép hiện đại, nhưng nhiều người chưa hiểu rõ về nó. Mục tiêu chính của việc siết chặt bu lông cấu trúc không phải là đạt được một số torque cụ thể, mà là tạo ra lực kẹp phù hợp, gọi là preload. Torque chỉ là một phương pháp gián tiếp để đạt được điều này, và thường không đáng tin cậy. Hướng dẫn này giải thích các nguyên lý cơ bản, phương pháp, các yếu tố quan trọng và quy trình kiểm tra cần thiết để đảm bảo an toàn cấu trúc thông qua preload đúng cách. Chúng tôi sẽ phân tích khoa học đằng sau preload, giải thích các phương pháp siết chặt tiêu chuẩn, xem xét các lỗi phổ biến và nguyên nhân của chúng, cũng như phác thảo các bước kiểm tra và kiểm soát chất lượng cần thiết cho các kết nối bu lông an toàn và bền lâu.

Hiểu Biết Cơ Bản Về Preload

Để trở thành người thành thạo trong việc siết chặt bu lông cường độ cao, bạn cần tập trung vào chính bu lông, không chỉ là dụng cụ vặn. Một bu lông đã được siết chặt hoạt động như một chiếc lò xo được kéo căng cẩn thận, và hiểu rõ ý tưởng này là chìa khóa cho mọi thứ khác.

Preload là gì?

Preload là lực căng tạo ra trong bu lông khi đai ốc được siết chặt. Lực này kéo dài bu lông, và đáp lại, bu lông giữ chặt các mảnh thép liên kết với nhau bằng một lực mạnh mẽ, có thể đo lường được. Lực kẹp này chính là điều chúng ta thực sự muốn đạt được. Preload phục vụ ba mục đích chính:

• Nó tạo ra một lực ma sát lớn giữa các lớp của kết nối thép, ngăn chặn sự trượt của mối nối dưới tải trọng ngang. Đây là cách hoạt động của kết nối có độ trượt quan trọng.
• Nó giữ các phần liên kết trong tiếp xúc chặt chẽ, liên tục, cung cấp độ cứng và ngăn ngừa tách rời khi kết nối phải chịu lực kéo hoặc lực mở.
• Nó cải thiện đáng kể tuổi thọ của bu lông dưới tải trọng lặp đi lặp lại. Bằng cách duy trì lực căng ban đầu cao, preload giảm thiểu lượng ứng suất bên ngoài tác động lên bu lông, ngăn ngừa các vết nứt bắt đầu và phát triển.

Torque, Lực căng và Hệ số K

Mối quan hệ giữa torque tác dụng lên đai ốc và lực căng của bu lông (preload) theo công thức này: T = K x D x P.

• T = Torque mục tiêu
• K = Hệ số đai ốc (còn gọi là hệ số ma sát)
• D = Đường kính bu lông
• P = Preload mục tiêu (Lực căng của bu lông)

Mặc dù công thức này trông đơn giản, nhưng nó cho thấy tại sao torque không phải là cách đáng tin cậy để đo preload. Giá trị ‘K’, hệ số đai ốc, không cố định. Nó đại diện cho ma sát tại bề mặt tiếp xúc giữa đai ốc và thép cũng như trong các ren của bu lông và đai ốc. Quan trọng là, ma sát tiêu tốn phần lớn năng lượng trong quá trình siết chặt. Các nghiên cứu cho thấy khoảng 85-90% torque tác dụng vào việc vượt qua ma sát, chỉ có khoảng 10-15% tạo ra lực căng hữu ích cho bu lông.

Hệ số K thay đổi dựa trên nhiều yếu tố, bao gồm loại và sự có mặt của dầu bôi trơn, hoàn thiện bề mặt của các bộ phận, cấp độ vật liệu, và tình trạng ren. Sự thay đổi của bất kỳ yếu tố nào trong số này sẽ làm thay đổi hệ số K, nghĩa là cùng một torque có thể tạo ra các giá trị preload rất khác nhau. Đây là lý do tại sao các phương pháp chỉ dựa vào giá trị torque tiêu chuẩn không được phép sử dụng cho các mối nối chịu lực cao trong các tiêu chuẩn cấu trúc lớn.

Các Yếu Tố Quan Trọng Để Đạt Preload

Việc đạt được preload mục tiêu một cách nhất quán đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ tất cả các bộ phận và điều kiện của bộ nối bu lông. Bỏ qua các biến số này có thể khiến ngay cả những công việc lắp đặt cẩn thận nhất cũng trở nên vô nghĩa.

Tại sao Bôi trơn lại Quan trọng

Bôi trơn có lẽ là yếu tố quan trọng nhất để đạt được lực nén đúng. Bu lông chịu lực cao, như các loại đáp ứng tiêu chuẩn ASTM F3125, đi kèm với lớp bôi trơn do nhà sản xuất áp dụng. Lớp phủ này được thiết kế để cung cấp hệ số K nhất quán và ngăn chặn hiện tượng galling, một dạng hàn nguội có thể xảy ra giữa ren của đai ốc và bu lông dưới áp lực cao, dẫn đến kẹt hoặc gãy bu lông.

Từ kinh nghiệm thực tế, chúng tôi đã thấy sự khác biệt đáng kể về lực nén khi nguyên tắc này bị bỏ qua. Ví dụ, các bu lông để ngoài trời có thể bị rửa trôi lớp bôi trơn, làm tăng đáng kể ma sát và dẫn đến lực nén thấp hơn so với mô-men xoắn đã định. Ngược lại, việc sử dụng chất bôi trơn không được phê duyệt, như hợp chất chống kẹt chung chung, có thể giảm ma sát đến mức làm quá tải bu lông và có khả năng gãy. Quy tắc đơn giản là: sử dụng bu lông, đai ốc và washer như trong bao bì của nhà sản xuất và bảo vệ chúng khỏi ô nhiễm và thời tiết.

Tình trạng Thành phần

Trước khi lắp đặt, tất cả các bộ phận bắt vít phải được kiểm tra bằng mắt để đảm bảo chúng đáp ứng yêu cầu của dự án và đang trong tình trạng phù hợp.

• Bu lông và Đai ốc: Xác nhận đúng loại (như Loại A325, A490 hoặc các mã mới hơn của F3125), đường kính và chiều dài. Đảm bảo chúng được lưu trữ trong các container bảo vệ để tránh bụi bẩn, rỉ sét hoặc hư hỏng ren. Bất kỳ bu lông nào có ren bị hư hỏng rõ ràng đều phải loại bỏ.
• Washers: Washers thép cứng (theo ASTM F436) cần thiết dưới phần được xoay (thường là đai ốc). Điều này cung cấp một bề mặt cứng, đồng nhất và mịn để chuẩn hóa ma sát. Đối với các bề mặt có độ dốc lớn hơn 1:20 so với trục bu lông, cần sử dụng washer có cạnh vát để cung cấp bề mặt tiếp xúc vuông góc và ngăn chặn uốn cong bu lông.

Điều kiện lỗ và bề mặt

Tình trạng của các bề mặt thép được ghép nối, gọi là các bề mặt tiếp xúc, ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định lâu dài của lực nén. Bất kỳ vật liệu nào có thể nén, trượt hoặc biến dạng theo thời gian sẽ dẫn đến mất lực siết của bu lông. Các burr quanh mép lỗ bu lông phải được loại bỏ. Sơn dày, vảy hoặc các lớp phủ khác trên các bề mặt tiếp xúc của các kết nối chịu trượt thường không được phép theo tiêu chuẩn của RCSC (Hội đồng Nghiên cứu về Kết nối Cấu trúc) trừ khi hiệu suất của chúng đã được xác nhận qua thử nghiệm. Những vật liệu này có thể từ từ nén dưới lực siết cao, gây ra sự giảm lực nén và làm giảm khả năng chống trượt của mối nối.

Phương pháp bắt vít kỹ thuật

Ngành công nghiệp thép cấu trúc công nhận bốn phương pháp chính để đạt được lực nén tối thiểu yêu cầu. Mỗi phương pháp dựa trên một nguyên lý vật lý khác nhau và có quy trình, thiết bị, yêu cầu kiểm tra riêng. Tất cả các phương pháp bắt đầu từ cùng một điểm: trạng thái chặt vừa phải.

Trạng thái Chặt Vừa Phải

Trạng thái chặt vừa phải là điểm khởi đầu để siết chặt cuối cùng của bất kỳ kết nối chịu lực cao hoặc trượt quan trọng nào. Nó được định nghĩa là độ chặt đạt được bằng toàn bộ lực của một người sử dụng cờ lê spud tiêu chuẩn hoặc điểm mà cờ lê tác động bắt đầu phát ra các cú đánh chắc chắn. Mục đích của việc siết chặt là để đưa tất cả các lớp thép của mối nối vào tiếp xúc chắc chắn, loại bỏ các khe hở và đảm bảo toàn bộ bộ phận lắp ráp là rắn chắc trước khi áp dụng lực siết cuối cùng, đo đếm được. Thường được thực hiện theo mẫu hình sao hoặc chéo để đảm bảo mối nối đóng đều.

Phương pháp 1: Quay vòng đai ốc

Phương pháp này là một trong những phương pháp đáng tin cậy nhất vì nó dựa vào hình học dự đoán của việc kéo dài bu lông, không phụ thuộc vào ma sát biến đổi của mô-men xoắn. Sau khi đạt trạng thái chặt vừa phải, người lắp đặt dùng bút dạ quang để đánh dấu chéo trên đai ốc, đầu bu lông và bề mặt thép liền kề. Dấu này cung cấp một tham chiếu trực quan. Sau đó, đai ốc được xoay một lượng nhất định so với bu lông. Lượng xoay cần thiết được quy định bởi RCSC và phụ thuộc vào tỷ lệ chiều dài đến đường kính của bu lông, như trong bảng dưới đây.

Phương pháp 2: Cờ lê hiệu chỉnh

Phương pháp này sử dụng cờ lê kiểm soát mô-men xoắn để áp dụng giá trị mô-men xoắn mục tiêu. Tuy nhiên, như đã thảo luận, mối quan hệ giữa mô-men xoắn và lực kéo không đáng tin cậy nếu không được hiệu chỉnh. Do đó, phương pháp này yêu cầu quá trình xác minh trước khi lắp đặt quan trọng. Mỗi ngày, sử dụng lô bu lông, đai ốc và washer cụ thể để lắp đặt, một mẫu đại diện của các bộ lắp ráp phải được kiểm tra trong bộ hiệu chuẩn lực kéo bu lông, chẳng hạn như thiết bị Skidmore-Wilhelm. Thiết bị này đo trực tiếp lực siết trước đạt được cho một mô-men xoắn nhất định. Người vận hành siết chặt bu lông và ghi lại mô-men xoắn cần thiết để đạt được lực kéo cao hơn một chút so với lực kéo tối thiểu yêu cầu. Giá trị mô-men xoắn này trở thành mô-men xoắn lắp đặt tại công trường cho lô bu lông cụ thể đó trong ngày đó.

Phương pháp 3: Bu lông Twist-Off (TC)

Bu lông loại Twist-Off, còn gọi là bu lông kiểm soát lực kéo, là một bộ lắp ráp đặc biệt được thiết kế để lắp đặt và kiểm tra nhanh chóng. Bu lông có đầu răng cưa mở rộng ra ngoài phần ren. Một cờ lê cắt điện chuyên dụng được sử dụng để lắp đặt. Cờ lê có hai ổ cắm đồng tâm: một ổ cắm ngoài xoay đai ốc và một ổ cắm trong giữ răng cưa. Khi siết chặt đai ốc, lực kháng trở tăng lên cho đến khi đạt mức đã định trước, tại thời điểm đó lực mô-men xoắn cắt đứt phần đầu răng cưa của bu lông. Điều này cung cấp một chỉ dẫn trực tiếp và đáng tin cậy rằng lực kéo yêu cầu đã được đạt được.

Phương pháp 4: Chỉ số lực kéo trực tiếp (DTIs)

Chỉ số lực kéo trực tiếp là các washer đặc biệt, cứng cáp, có các chấm nổi trên một mặt. DTI được đặt dưới đầu bu lông hoặc đai ốc, với các chấm này tiếp xúc với bề mặt cứng, phẳng (thường là washer cứng tiêu chuẩn F436). Khi siết chặt bu lông, lực kẹp làm phẳng các chấm này. Quá trình lắp đặt hoàn tất khi khoảng cách còn lại giảm xuống một giá trị cụ thể, được kiểm tra bởi người kiểm tra bằng thước cảm ứng. Nếu thước không thể lọt vào khoảng cách đó, bu lông đã được căng đúng lực. Một số DTI, gọi là DTI phun, được chứa đầy silicone màu cam sáng, sẽ phun ra khi đạt lực kéo chính xác, cung cấp tín hiệu trực quan ngay lập tức.

So sánh các phương pháp

Việc chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu dự án, thiết bị có sẵn, kinh nghiệm của đội ngũ và quy trình kiểm tra. Bảng dưới đây cung cấp so sánh.

Bảng 1: So sánh các phương pháp bu lông cường độ cao

Cách các mối nối hoạt động và lý do chúng thất bại

Bu lông được lắp đặt đúng chỉ là bước đầu. Hiểu cách một mối nối hoạt động trong suốt vòng đời và cách siết chặt không đúng dẫn đến thất bại là điều cần thiết cho bất kỳ chuyên gia kết cấu nào.

Mất lực căng trước theo thời gian

Lực căng không phải lúc nào cũng vĩnh viễn. Một lượng nhỏ mất lực, gọi là sự thư giãn, xảy ra sau khi lắp đặt. Việc đảm bảo rằng ngay cả sau khi mất này, lực căng còn lại đủ để đáp ứng yêu cầu thiết kế của mối nối là rất quan trọng. Các nguyên nhân chính là:

1. Lún: Ngay sau khi siết chặt, các điểm cao nhỏ trên bề mặt ren và dưới đai ốc, đầu bu lông sẽ phẳng đi dưới áp lực chịu đựng lớn. Sự biến dạng dẻo nhỏ này dẫn đến mất độ căng của bu lông một cách nhỏ nhưng dự đoán được, do đó làm giảm lực căng ban đầu.
2. Lỏng lẻo do rung động: Trong các mối nối chịu rung hoặc tải lặp lại, đặc biệt là những mối nối có chuyển động ngang, đai ốc có thể từ từ xoay ngược lại, gây mất lực căng đáng kể. Lực căng cao là biện pháp phòng ngừa tốt nhất chống lại điều này, vì nó tăng ma sát chống lại việc xoay ngược lại này.
3. Chảy xếp / Thư giãn ứng suất của gioăng: Trong các mối nối có gioăng hoặc các vật liệu mềm khác, hoặc trong các kết nối hoạt động ở nhiệt độ cao, các vật liệu có thể từ từ biến dạng hoặc “chảy xếp” theo thời gian, làm giảm khoảng cách kẹp chặt và gây giảm độ đàn hồi trước tải.

Các cách phổ biến khiến bu lông bị hỏng

Gần như tất cả các hỏng hóc của bu lông trong các ứng dụng kết cấu đều có thể truy nguyên về một nguyên nhân chính: siết chặt không đúng hoặc không đủ.

• Hỏng do mỏi: Đây là dạng hỏng phổ biến nhất của bu lông dưới tải lặp đi lặp lại. Một bu lông với độ siết chặt thấp sẽ trải qua phần lớn của bất kỳ tải lặp lại nào từ bên ngoài, gây ra các chu kỳ ứng suất cao dẫn đến hình thành vết nứt và cuối cùng là gãy. Một bu lông với độ siết chặt cao chỉ trải qua một phần nhỏ của chu kỳ tải ngoài đó, giữ cho ứng suất của nó thấp và kéo dài đáng kể tuổi thọ của nó.
• Trượt mối nối: Trong kết nối chịu trượt, thiết kế dựa vào lực kẹp từ độ siết chặt để tạo ra ma sát đủ để chống lại lực cắt. Nếu độ siết chặt thấp hơn mức tối thiểu quy định, lực kẹp sẽ không đủ. Dưới tải thiết kế, ma sát có thể bị vượt qua, và mối nối sẽ trượt vào trạng thái chịu lực, điều này được coi là thất bại về khả năng sử dụng và không được phép trong loại kết nối này.
• Gãy rụng do hydro: Bu lông có độ bền cao (thường có độ bền kéo vượt quá 150 ksi, như Loại A490) dễ bị gãy rụng do cơ chế này. Trong khi chủ yếu là vấn đề về vật liệu và quy trình sản xuất, điều kiện thực tế có thể làm tăng nguy cơ. Các nguyên tử hydro có thể được đưa vào từ các nguồn như quá trình mạ hoặc môi trường ăn mòn. Các nguyên tử này di chuyển đến các vùng có ứng suất cao — chẳng hạn như gốc ren của bu lông chịu lực — và gây ra gãy rụng giòn chậm trễ mà không có cảnh báo hoặc biến dạng nào.

Kiểm tra và kiểm định

Đảm bảo chất lượng không phải là tùy chọn; đó là phần thiết yếu của quá trình siết chặt bu lông có độ bền cao. Các tiêu chuẩn kết cấu chính yêu cầu các thủ tục xác minh và kiểm tra cụ thể để đảm bảo an toàn công cộng.

Kiểm tra trước khi lắp đặt

Trước khi bắt đầu lắp đặt bu lông dự án, cần thực hiện kiểm tra khả năng quay vòng (RC). Thử nghiệm này bắt buộc theo Tiêu chuẩn RCSC cho mỗi lô bu lông có khả năng quay vòng. Một mẫu lắp ráp (một bu lông, một đai ốc, và một đệm từ cùng một lô) được thử trong bộ điều chỉnh lực kéo. Thử nghiệm xác minh hai điều: thứ nhất, dầu bôi trơn hoạt động đúng, và thứ hai, bộ lắp ráp có thể đạt ít nhất 10% hơn mức độ siết chặt tối thiểu yêu cầu mà không bị trượt hoặc gãy. Nếu thử RC thất bại, toàn bộ lô bu lông đó sẽ bị cách ly và loại bỏ.

Kiểm tra lắp đặt định kỳ

Trong quá trình lắp đặt, công việc chính của kiểm tra viên là giám sát các đội lắp bu lông. Kiểm tra viên phải xác minh rằng các đội đang thực hiện theo một quy trình lắp đặt đã được phê duyệt một cách hệ thống cho từng bu lông. Điều này bao gồm kiểm tra bề mặt đã được chuẩn bị đúng, các thành phần đúng, mẫu siết chặt được tuân thủ, và phương pháp siết cuối cùng được áp dụng nhất quán và chính xác.

Kiểm tra sau khi lắp đặt

Sau khi các bu lông đã được lắp đặt và siết chặt, cần thực hiện kiểm tra cuối cùng. Hành động cụ thể phụ thuộc vào phương pháp lắp đặt đã sử dụng. Không sử dụng cờ lê đo lực để kiểm tra trừ khi phương pháp lắp đặt là dùng Cờ lê đã được hiệu chuẩn.

Bảng 2: Tóm tắt kiểm tra sau khi lắp đặt

Giải quyết Các vấn đề Thường gặp

Ngay cả với các quy trình rõ ràng, các vấn đề có thể phát sinh trong thực tế. Một chuyên gia có kinh nghiệm có thể nhanh chóng chẩn đoán và giải quyết các vấn đề phổ biến này.

Hướng dẫn Giải quyết Vấn đề

Bảng dưới đây cung cấp hướng dẫn tham khảo nhanh cho các vấn đề phổ biến trong thực tế, nguyên nhân có thể và các giải pháp hiệu quả. Hướng dẫn này được xây dựng dựa trên nhiều năm quan sát thực tế và giải quyết vấn đề trong các dự án thép cấu kiện.

Bảng 3: Hướng dẫn Giải quyết Vấn đề Siết Bu lông Chịu Lực Cao

Tổng kết

Việc siết chặt bu lông chịu lực cao thành công là một quá trình kỹ thuật có hệ thống, không chỉ đơn thuần siết chặt bu lông một cách ngẫu nhiên. Toàn bộ lĩnh vực này được điều chỉnh bởi nguyên tắc then chốt duy nhất là đạt được lực nén mục tiêu. Bằng cách hiểu khoa học phân biệt giữa mô-men xoắn và lực kéo, kiểm soát cẩn thận các biến như bôi trơn và tình trạng của các thành phần, và áp dụng cũng như xác minh một trong các phương pháp lắp đặt được ngành công nghiệp chấp nhận, chúng ta có thể đảm bảo rằng mỗi bu lông hoạt động như một lò xo chịu lực cao chính xác. Phương pháp kỹ thuật này, chú trọng đến chi tiết, không phải là sở thích cá nhân; nó là nền tảng cho an toàn, độ bền và hiệu suất lâu dài của các cấu trúc thép tạo nên xương sống của thế giới hiện đại của chúng ta.

• https://www.aisc.org/ Viện Kỹ thuật Thép Mỹ (AISC)
• https://www.boltcouncil.org/ Hội đồng Nghiên cứu về Kết nối Cấu trúc (RCSC)
• https://www.astm.org/ ASTM Quốc tế – Tiêu chuẩn Bu lông Cấu trúc
• https://www.iso.org/ ISO – Tổ chức Ti chuẩn hóa Quốc tế
• https://www.portlandbolt.com/ Portland Bolt – Tài nguyên Kỹ thuật ASTM F3125
• https://galvanizeit.org/ Hiệp hội Mạ kẽm Mỹ – Cập nhật Tiêu chuẩn RCSC
• https://www.structuremag.org/ Tạp chí STRUCTURE – Kỹ thuật Cấu trúc
• https://www.cisc-icca.ca/ Viện Xây dựng Thép Canada
• https://en.wikipedia.org/wiki/Structural_engineering Wikipedia – Kỹ thuật Cấu trúc
• https://www.sciencedirect.com/ ScienceDirect – Nghiên cứu Kết nối Cấu trúc