Tính liên kết bulong chịu cắt và bulong ma sát theo AISC 360-22

Cùng một bulong M20 cường độ cao, cùng bản mã dày 10 mm, nhưng ghi chú "slip-critical" trên bản vẽ có thể làm số bulong tăng gấp rưỡi hoặc gấp đôi, kéo theo yêu cầu xử lý mặt tiếp xúc, siết căng có kiểm soát và nghiệm thu riêng ngoài hiện trường. Ngược lại, chỉ định liên kết ép mặt ở vị trí đáng ra phải là liên kết ma sát thì công trình có thể bị trượt, nới lỏng bulong hoặc mỏi sau vài năm vận hành.

Bài viết dành cho kỹ sư thiết kế và kỹ sư triển khai shop drawing kết cấu thép. Nội dung đi từ cơ chế truyền lực, các trạng thái giới hạn theo AISC 360-22, tới một ví dụ số so sánh trực tiếp hai phương án cho cùng một mối nối.

1. Hai cơ chế truyền lực khác nhau

Trong liên kết chịu cắt, lực đi từ bản thép này sang bản thép kia theo một trong hai con đường (Hình 1).

Liên kết ép mặt (bearing-type): các bản thép trượt tương đối cho tới khi thành lỗ tựa vào thân bulong. Từ đó lực truyền qua ép mặt giữa thành lỗ và thân bulong, còn bulong chịu cắt tại mặt phẳng tiếp xúc giữa các bản. Lực siết chỉ cần đủ để các bản áp sát nhau (snug-tight), hoặc có thể căng trước nhưng không kể ma sát vào khả năng chịu lực.

Liên kết ma sát (slip-critical): bulong cường độ cao được căng trước tới lực tối thiểu $T_b$, ép chặt các bản thép. Lực cắt truyền qua ma sát trên mặt tiếp xúc; thân bulong chưa chạm thành lỗ trong điều kiện làm việc. Khả năng chịu lực phụ thuộc vào lực căng và hệ số ma sát của bề mặt, không phụ thuộc vào tiết diện bulong.

Biểu đồ lực – độ trượt ở Hình 2 cho thấy rõ sự khác biệt. Liên kết siết thông thường trượt gần như ngay từ tải thấp, đi hết khe hở lỗ rồi mới chịu lực bằng ép mặt. Liên kết ma sát giữ gần như không trượt cho tới tải trượt; khi vượt tải trượt, liên kết dịch chuyển đột ngột một khoảng bằng khe hở lỗ, rồi cũng chuyển sang làm việc ép mặt và phá hoại ở cùng giới hạn cắt bulong.

Hệ quả thiết kế quan trọng: tải trượt là trạng thái giới hạn về biến dạng, không phải giới hạn phá hoại. Liên kết ma sát vẫn phải đủ khả năng chịu cắt và ép mặt như một liên kết ép mặt, vì sau khi trượt nó làm việc đúng như vậy.

2. Ba loại liên kết theo AISC và RCSC

AISC 360-22 và RCSC phân biệt ba loại liên kết theo mức độ siết bulong, không chỉ hai:

Loại pretensioned thường bị bỏ qua khi lập bản vẽ: bulong được căng trước để chống nới lỏng do rung hoặc theo yêu cầu điều J3.2, nhưng mặt tiếp xúc không cần xử lý và không kiểm tra trượt. Nếu ghi chung chung "bulong cường độ cao siết căng" mà không nói rõ loại liên kết, nhà thầu dễ hiểu sai, hoặc ngược lại sơn phủ kín mặt tiếp xúc của một liên kết ma sát.

Liên kết ma sát thường được chỉ định khi:

• Liên kết chịu tải trọng lặp hoặc đổi dấu, có nguy cơ mỏi (dầm cầu trục, liên kết chịu rung động máy).

• Dùng lỗ quá cỡ (oversized) hoặc lỗ ô van song song phương lực.

• Sự trượt ảnh hưởng tới công năng: nối dầm dài nhịp lớn, nối giằng làm việc kéo – nén luân phiên, mối nối mà độ võng hoặc lệch hình học phải khống chế.

3. Kiểm tra liên kết ép mặt

3.1. Cắt bulong — AISC 360-22, J3.6

$$R_n = F_{nv} , A_b$$

• $F_{nv}$ — cường độ chịu cắt danh nghĩa của bulong, tra Bảng J3.2 (MPa).

• $A_b$ — diện tích danh nghĩa phần thân không ren (mm²).

• Hệ số: $\phi = 0{,}75$ (LRFD), $\Omega = 2{,}00$ (ASD).

Giá trị $F_{nv}$ phụ thuộc nhóm bulong và việc ren có nằm trong mặt phẳng cắt hay không. Từ bản 2022, AISC đổi tên nhóm A/B thành Group 120 và Group 150:

Trong thực tế chế tạo, chiều dài ren và chiều dày bản ghép không phải lúc nào cũng kiểm soát được, nên phần lớn kỹ sư thiết kế mặc định điều kiện N cho an toàn. Chỉ dùng điều kiện X khi bản vẽ có ghi rõ và chiều dài bulong được chọn cụ thể.

3.2. Ép mặt và xé rách thành lỗ — AISC 360-22, J3.11

Với lỗ tiêu chuẩn và khi biến dạng lỗ ở tải sử dụng là một tiêu chí thiết kế (trường hợp thông dụng):

$$R_n = \min\left(2{,}4 , d , t , F_u ; ; ; 1{,}2 , l_c , t , F_u\right)$$

• $d$ — đường kính danh nghĩa bulong (mm).

• $t$ — chiều dày bản thép bị ép mặt (mm).

• $F_u$ — giới hạn bền kéo nhỏ nhất của thép bản (MPa).

• $l_c$ — khoảng cách trống theo phương lực, từ mép lỗ tới mép bản hoặc tới mép lỗ kế tiếp (Hình 3).

• Hệ số: $\phi = 0{,}75$, $\Omega = 2{,}00$.

Với bulong mép, $l_c = L_e - h/2$; với bulong bên trong, $l_c = s - h$, trong đó $h$ là đường kính lỗ (M20 dùng lỗ tiêu chuẩn 22 mm). Khi biến dạng lỗ không phải tiêu chí thiết kế, hệ số 2,4 và 1,2 được thay bằng 3,0 và 1,5 — ít khi dùng cho kết cấu nhà xưởng thông thường.

Khả năng chịu lực của mỗi bulong lấy giá trị nhỏ hơn giữa cắt bulong và ép mặt / xé rách; khả năng của nhóm bulong là tổng các giá trị đó. Ngoài ra vẫn phải kiểm tra bản ghép: chảy trên tiết diện nguyên, đứt trên tiết diện thực và cắt khối (block shear, J4.3).

3.3. Bulong chịu đồng thời kéo và cắt — J3.8

Khi bulong vừa chịu cắt vừa chịu kéo (liên kết dầm – cột bằng mặt bích, gối giằng lệch tâm), cường độ chịu kéo được giảm theo ứng suất cắt thực tế $f_{rv}$:

$$F'{nt} = 1{,}3 , F{nt} - \frac{F_{nt}}{\phi , F_{nv}} , f_{rv} \le F_{nt}$$

4. Kiểm tra liên kết ma sát — AISC 360-22, J3.9

Khả năng chống trượt danh nghĩa của một bulong:

$$R_n = \mu , D_u , h_f , T_b , n_s$$

• $\mu$ — hệ số trượt trung bình: 0,30 cho mặt tiếp xúc Class A (thép sạch gỉ cán, sơn phủ Class A), 0,50 cho Class B (phun bi / phun cát, sơn phủ Class B).

• $D_u = 1{,}13$ — tỷ số giữa lực căng thực tế trung bình và lực căng tối thiểu quy định.

• $h_f$ — hệ số bản đệm: 1,0 khi không có hoặc chỉ có một bản đệm giữa các bản ghép; nhỏ hơn khi có từ hai bản đệm trở lên (tra J3.9).

• $T_b$ — lực căng tối thiểu của bulong, Bảng J3.1M (kN).

• $n_s$ — số mặt trượt.

Hệ số độ tin cậy phụ thuộc loại lỗ:

Lực căng tối thiểu $T_b$ thường dùng cho bulong hệ mét (cần đối chiếu Bảng J3.1M):

Khi liên kết ma sát đồng thời chịu kéo $T_u$, lực kẹp giảm nên khả năng chống trượt nhân thêm hệ số theo J3.10 (LRFD):

$$k_{sc} = 1 - \frac{T_u}{D_u , T_b , n_b} \ge 0$$

với $n_b$ là số bulong chịu lực kéo đó.

5. So sánh ngắn với Eurocode 3

EN 1993-1-8 chia liên kết chịu cắt thành ba hạng, tương ứng khá sát với cách hiểu của AISC:

Khả năng chống trượt theo Eurocode tính từ lực căng $F_{p,C} = 0{,}7 , f_{ub} , A_s$, hệ số ma sát $\mu$ theo hạng bề mặt, hệ số lỗ $k_s$ và hệ số $\gamma_{M3}$. Hạng B không có tương đương trực tiếp trong AISC 360 hiện hành, vì AISC đã chuyển việc kiểm tra trượt về tổ hợp tải cực hạn. Khi chuyển đổi hồ sơ giữa hai hệ tiêu chuẩn, không nên chép nguyên số lượng bulong mà cần tính lại theo đúng hệ của dự án.

6. Ví dụ: nối chồng bản thép bằng 4 bulong M20

6.1. Số liệu

Hai bản thép nối chồng, một mặt cắt, bố trí bulong như Hình 4.

6.2. Phương án liên kết ép mặt

Cắt bulong:

$$A_b = \frac{\pi \cdot 20^2}{4} = 314{,}2 \text{ mm}^2 ;\Rightarrow; R_n = 372 \times 314{,}2 = 116{,}9 \text{ kN}$$

Ép mặt và xé rách:

• Giới hạn ép mặt: $2{,}4 \times 20 \times 10 \times 450 = 216{,}0$ kN.

• Bulong mép: $l_c = 40 - 22/2 = 29$ mm, $1{,}2 \times 29 \times 10 \times 450 = 156{,}6$ kN.

• Bulong bên trong: $l_c = 70 - 22 = 48$ mm, $1{,}2 \times 48 \times 10 \times 450 = 259{,}2$ kN, lấy 216,0 kN.

Cắt bulong (116,9 kN) quyết định cho cả 4 bulong:

$$\phi R_n = 0{,}75 \times 4 \times 116{,}9 = 350{,}7 \text{ kN} \ge P_u = 300 \text{ kN} ;\Rightarrow; \text{Đạt}$$

6.3. Phương án liên kết ma sát

Với $\mu = 0{,}30$ (Class A), $D_u = 1{,}13$, $h_f = 1{,}0$, $T_b = 142$ kN, $\phi = 1{,}00$:

$$\phi R_n = 1{,}00 \times 0{,}30 \times 1{,}13 \times 1{,}0 \times 142 \times 1 = 48{,}1 \text{ kN/bulong}$$

Bốn bulong cho $4 \times 48{,}1 = 192{,}5$ kN, nhỏ hơn 300 kN — không đạt. Có ba hướng xử lý:

1. Tăng số bulong: cần $300 / 48{,}1 = 6{,}2$, bố trí 8 bulong (2 hàng × 4).

2. Nâng mặt tiếp xúc lên Class B: $0{,}50 \times 1{,}13 \times 142 = 80{,}2$ kN/bulong, 4 bulong cho 320,9 kN — đạt, nhưng phải phun làm sạch và kiểm soát sơn tại xưởng.

3. Dùng bulong lớn hơn hoặc Group 150, kèm kiểm tra lại khoảng cách mép và bước bulong.

Dù chọn hướng nào, điều kiện ép mặt ở mục 6.2 vẫn phải đạt (350,7 kN ≥ 300 kN), và vẫn cần kiểm tra bản ghép theo tiết diện thực và cắt khối.

7. Lỗi thường gặp trong hồ sơ và thi công

• Không ghi loại liên kết trên bản vẽ. Bản vẽ nên ghi rõ SC / PT / ST cho từng nhóm liên kết, kèm Class mặt tiếp xúc với SC.

• Sơn phủ mặt tiếp xúc của liên kết ma sát. Sơn thông thường làm hệ số ma sát giảm mạnh; mặt tiếp xúc phải được che chắn khi sơn hoặc dùng loại sơn đã được chứng nhận Class A/B.

• Dùng $F_{nv}$ của điều kiện X mà không kiểm soát chiều dài bulong. Nếu ren lọt vào mặt cắt, khả năng chịu cắt thực tế giảm khoảng 20%.

• Kiểm tra trượt bằng tải tiêu chuẩn nhưng dùng $\phi = 1{,}0$ của LRFD. Phải dùng nhất quán: LRFD với tải tính toán, hoặc ASD với tải tiêu chuẩn và $\Omega$ tương ứng.

• Bỏ qua lực kéo trong liên kết ma sát. Liên kết mặt bích, liên kết chịu mô men có bulong chịu kéo làm giảm lực kẹp, cần nhân $k_{sc}$.

• Đổi lỗ tiêu chuẩn sang lỗ quá cỡ hoặc ô van khi lắp dựng mà không báo thiết kế. Thay đổi này làm giảm $\phi$ của liên kết ma sát và có thể biến liên kết ép mặt thành liên kết bắt buộc phải là ma sát.

8. Tóm tắt

• Liên kết ép mặt truyền lực qua thân bulong và thành lỗ; liên kết ma sát truyền lực qua ma sát do lực căng trước tạo ra.

• Liên kết ma sát vẫn phải đạt mọi kiểm tra của liên kết ép mặt; chống trượt là điều kiện bổ sung.

• Theo AISC 360-22: cắt bulong ở J3.6, ép mặt – xé rách ở J3.11, chống trượt ở J3.9, chịu kéo – cắt đồng thời ở J3.8 và J3.10.

• Khả năng chống trượt của bulong M20 với mặt tiếp xúc Class A nhỏ hơn đáng kể khả năng chịu cắt, nên số bulong của liên kết ma sát thường lớn hơn.

• Bản vẽ phải ghi rõ loại liên kết, Class mặt tiếp xúc và phương pháp siết để xưởng và hiện trường thực hiện đúng.

Tài liệu tham khảo

• ANSI/AISC 360-22 — Specification for Structural Steel Buildings, Chương J, mục J3 và J4.3.

• RCSC — Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts, mục 4 (loại liên kết) và mục 3 (mặt tiếp xúc).

• EN 1993-1-8 — Eurocode 3: Design of steel structures, Part 1-8: Design of joints, mục 3.4 và 3.9.

• AISC Modern Steel Construction (2022, 2024) — các bài tổng hợp thay đổi Chương J và hướng dẫn thiết kế liên kết bulong.