Giới thiệu

Các bu lông X-BT của Hilti được sử dụng để liên kết các hệ thống kiến trúc, kết cấu, cơ khí và điện vào vật liệu thép. Một số giải pháp, điển hình là bu lông X-BT, yêu cầu phải khoan trước trên vật liệu nền để đảm bảo việc cố định bu lông được chắc chắn. Hình 1 minh họa một giá đỡ ống được cố định vào dầm thép bằng bu lông X-BT (bên trái) và mặt cắt mô phỏng liên kết của bu lông với vật liệu nền (bên phải).


Bài viết này tổng hợp kết quả phân tích của Hilti về ảnh hưởng của các lỗ khoan và bu lông (trong trường hợp này là X-BT) lên đặc tính ứng suất - biến dạng tĩnh của kết cấu thép.

Tính chất và thiết kế thép kết cấu

Các tính chất chính của thép kết cấu bao gồm: giới hạn chảy (Yield Strength), giới hạn bền (Ultimate Strength), độ chảy dẻo (Ductility)
Giới hạn chảy (𝑓𝑦) là mức ứng suất mà tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng vĩnh viễn. Với thép, đây là điểm chuyển từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo, tức là vật liệu sẽ không trở lại hình dạng ban đầu khi tải trọng được loại bỏ. Giới hạn bền (𝑓𝑢) là mức ứng suất lớn nhất mà vật liệu có thể chịu được trước khi xảy ra hiện tượng thắt cổ (co thắt cục bộ tiết diện) - quá trình dẫn đến phá hủy hoàn toàn. Đây chính là điểm cao nhất trên đường cong ứng suất - biến dạng của vật liệu. Độ chảy dẻo là khả năng của vật liệu chịu được biến dạng dẻo đáng kể trước khi bị phá hủy. Tính dẻo giúp kết cấu thép có khả năng biến dạng mà không gãy đột ngột, cho phép công trình phân phối lại nội lực và hấp thụ năng lượng hiệu quả khi chịu tải trọng động hoặc tải trọng lớn bất thường như động đất hay va chạm [1].
Trong Hình 2 là đường cong ứng suất–biến dạng minh họa của thép kết cấu, thể hiện vị trí của giới hạn chảy (Yield Strength) và giới hạn bền (Ultimate Strength).



Theo Eurocode 3 [1], Khi thiết kế các tiết diện thép có lỗ khoan, khả năng chịu kéo của tiết diện cần được tính theo giá trị nhỏ hơn giữa các trường hợp sau:
1) 𝑁𝑝𝑙,𝑅𝑑=𝐴×𝑓𝑦𝛶𝑀0
2) 𝑁𝑢,𝑅𝑑=𝑘×𝐴𝑛𝑒𝑡×𝑓𝑢𝛶𝑀2
Trong đó, 𝐴 là diện tích tiết diện toàn phần của thép, 𝐴𝑛𝑒𝑡 là diện tích tiết diện hữu hiệu (đã trừ diện tích các lỗ khoan), 𝛶𝑀𝑜 và 𝛶𝑀2 là hệ số an toàn riêng phần (lần lượt là 1,00 và 1,25) và k là hệ số phụ thuộc vào chất lượng lỗ khoan bằng 1,0 (với lỗ khoan nhẵn, như bu lông X-BT) hoặc bằng 0,9 (lỗ khoan thô hoặc với kết cấu chịu mỏi). Trong Hình 3 có thể thấy ví dụ về một tiết diện với 2 bu lông được lắp trên cùng một tiết diện (trái) và 2 bu lông được lắp trên hai tiết diện khác nhau (phải).


Khi phân tích hai công thức này, ta thấy rằng: Công thức 1 không tính đến sự suy giảm diện tích tiết diện thép do lỗ khoan và Công thức 2 có xét đến phần diện tích bị giảm bởi lỗ khoan.

Dựa vào đó, ta có thể hình dung mức độ ảnh hưởng của việc khoan lỗ trước khi lắp bu lông lên khả năng chịu kéo của tiết diện thép. Chỉ khi số lượng lỗ khoan đủ nhiều, làm giảm diện tích tiết diện hữu hiệu đáng kể thì công thức 2 mới chi phối (tức giá trị sức chịu kéo theo công thức 2 nhỏ hơn công thức 1).
Để xác định rõ điều này, Hilti đã thực hiện phân tích và kiểm tra với các tiết diện thép IPE 180, IPE 200 và IPE 220 (với cấp thép S235 và S275) xem cần bao nhiêu bu lông X-BT trên một mặt cắt thì công thức 2 mới bắt đầu có sự chênh lệch đáng kể. Kết quả được thể hiện trong Hình 4.


Có thể thấy rằng:
· Số lượng bu lông cần thiết để làm ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của tiết diện thép sẽ tăng khi diện tích tiết diện của thép lớn hơn — vì lúc này, phần diện tích bị giảm do các lỗ khoan chiếm tỷ lệ nhỏ hơn so với diện tích tổng thể.
· Ngược lại, khi cấp thép tăng (từ S235 lên S275), số bu lông cần thiết giảm xuống — vì với thép cường độ cao hơn, tác động của mỗi lỗ khoan đối với khả năng chịu lực của tiết diện trở nên rõ rệt hơn, và khả năng giảm tải trọng thiết kế xảy ra sớm hơn.
Danh mục giải pháp thi công của Hilti quy định tối đa 3 bu lông X-BT được lắp trên cùng một mặt cắt ngang. Vì vậy, đối với các tiết diện được phân tích, bu lông X-BT không gây ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực của tiết diện thép, do theo tính toán, phải cần ít nhất 9 bu lông trên cùng một mặt cắt (với tiết diện IPE 180 sử dụng thép S275) và loại bỏ khoảng 12% diện tích mặt cắt thì mới bắt đầu làm giảm sức chịu lực thiết kế. Chi tiết các tính toán cho trường hợp tiết diện IPE 180 với thép S275 được trình bày trong Bảng 1.



Phân tích thông qua thử nghiệm

Để bổ sung cho các phân tích lý thuyết ở phần trước, Hilti cũng đã thực hiện thử nghiệm kéo tĩnh nhằm đánh giá ảnh hưởng của việc khoan lỗ trước khi lắp bu lông X-BT lên khả năng chịu kéo của tiết diện thép [2].
Các thử nghiệm được tiến hành với thép tấm thép (xem Hình 6), với các thông số thay đổi như sau:
§ Chiều dày vật liệu nền – 8 và 10 mm;
§ Vật liệu nền – S235JR và P355NL1;
§ Số lượng bu lông trên cùng một mặt cắt: 1 bu lông ở giữa mẫu hoặc 2 bu lông trên cùng mặt cắt (xem Hình 5)
§ Trạng thái bu lông: lắp cố định hoặc đã tháo ra.
Tổng cộng có 16 tổ hợp thử nghiệm được thực hiện.



Ví dụ, với tấm thép dày 10 mm cấp bền S235, Hilti đã thực hiện 4 loạt thử nghiệm: một mẫu đối chứng (không có bu lông X-BT), một mẫu với 1 bu lông X-BT lắp ở giữa bản thép, một mẫu với 2 bu lông X-BT trên cùng mặt cắt mà một mẫu với 1 bu lông X-BT đã được tháo ra sau khi lắp. Kết quả được thể hiện qua đường cong ứng suất - biến dạng trong Hình 7. Các cấu hình thử nghiệm khác với độ dày và cấp thép khác nhau cũng cho kết quả tương tự, khi so sánh mức ảnh hưởng của bu lông X-BT đến vật liệu thép nền.



Tóm lại, kết quả thử nghiệm cho phép đưa ra các kết luận sau:
§ Không có ảnh hưởng đến giới hạn chảy của vật liệu thép nền;
§ Do hình dạng mẫu thử nhỏ, việc khoan lỗ trước đã làm giảm diện tích tiết diện đáng kể (khoảng 6% với 1 bu lông và 12% với 2 bu lông). Vì lý do này, cường độ chịu kéo tối đa có giảm nhẹ;
§ Tuy nhiên, ứng xử tổng thể của thép nền vẫn giữ tính dẻo, với biến dạng lớn tại lực tối đa đạt khoảng 10%.
Bài phân tích này đánh giá ảnh hưởng của việc khoan lỗ trước cho bu lông X-BT bằng 2 phương pháp: Phân tích lý thuyết theo tiêu chuẩn Eurocode 3 cho thấy phải cần số lượng bu lông X-BT đáng kể mới bắt đầu ảnh hưởng đến khả năng chịu kéo của tiết diện thép.
Thử nghiệm thực tế với mẫu thép có lắp X-BT cũng xác nhận rằng, ngay cả khi tiết diện thép giảm đáng kể do khoan lỗ (tối đa 12%), giới hạn chảy vẫn giữ nguyên và vật liệu nền tiếp tục thể hiện ứng xử dẻo.

Tài liệu tham khảo
[1] EN 1993-1-1:2022-11 - Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings
[2] H. Beck, M. Siemers, M. Reuter, and E. Schoeffendt, “Stahlbau Kalender – Powder-actuated fasteners and fastening screws in steel construction,” John Wiley & Sons, 2019.