Bulong cường độ cao có những loại nào? Tiêu chuẩn chi tiết

Trong các công trình nhà thép tiền chế, cầu thép, dầm cầu trục hay hệ thống khung máy chịu tải lớn, bulong cường độ cao thường được sử dụng tại các vị trí liên kết dầm – cột, bản mã và mặt bích. Khác với bulong thông thường, loại bulong này không chỉ cần đúng cấp bền mà còn phải đáp ứng yêu cầu về tiêu chuẩn sản xuất, sự đồng bộ giữa bulong, đai ốc, long đen và lực siết khi lắp đặt. Vậy bulong cường độ cao có những loại nào và cần đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật gì?

Trong bài viết này, Công nghiệp Trường Phú sẽ cùng anh chị tìm hiểu các loại bulong cường độ cao, yêu cầu kỹ thuật và bảng tra cấp bền, lực siết theo từng tiêu chuẩn.

1. Bulong cường độ cao là gì?

Bulong cường độ cao là loại bulong có cấp bền từ 8.8 trở lên theo tiêu chuẩn ISO 898-1 (TCVN 1916), bao gồm các cấp 8.8, 9.8, 10.9 và 12.9. Đối với hệ tiêu chuẩn Nhật Bản và Mỹ, một số cấp tương ứng thường gặp là F8T, F10T, S10T, A325 và A490.

So với bulong thông thường có cấp bền từ 4.6 đến 6.8, bulong cường độ cao có ba điểm khác biệt chính:

Vật liệu chế tạo: Sử dụng thép carbon trung bình, thép carbon có bổ sung bo hoặc thép hợp kim crom, crom – molypden như 40Cr, SCM435 và SCM440.
Quá trình xử lý nhiệt: Bulong phải trải qua công đoạn tôi và ram để đạt cơ tính yêu cầu, trong khi bulong thông thường không cần thực hiện quá trình này.
Khả năng chịu lực: Với cùng kích thước ren, bulong cấp bền 10.9 có giới hạn chảy tối thiểu gần gấp 4 lần bulong cấp 4.6, tương ứng 940 MPa so với 240 MPa.

Các dạng liên kết sử dụng bulong cường độ cao

Tùy theo cách truyền lực của mối ghép, bulong cường độ cao có thể làm việc trong ba dạng liên kết:

Liên kết chịu cắt thông thường (Bearing type): Lực được truyền qua thân bulong khi tì vào thành lỗ. Bulong chỉ cần được siết đủ chặt để các bản thép áp sát nhau.
Liên kết ma sát (Slip-resistant, HSFG): Bulong được siết đến lực căng trước lớn để ép chặt các bản thép. Lực được truyền qua ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc, giúp hạn chế trượt. Dạng liên kết này thường dùng trong cầu thép, dầm cầu trục và kết cấu chịu tải động.
Liên kết chịu kéo: Lực tác động theo phương dọc trục bulong, thường gặp tại các mối nối mặt bích dầm – cột hoặc mặt bích đường ống. Bulong thường được siết căng trước để hạn chế tình trạng hở mối nối khi chịu tải.

Bulong cường độ cao có khả năng chịu lực lớn, được sử dụng trong các liên kết kết cấu thép.

2. Các loại bulong cường độ cao hiện nay

Bulong cường độ cao được phân loại theo cấp bền, hệ tiêu chuẩn kết cấu hoặc kiểu đầu và kiểu ren. Mỗi nhóm có đặc điểm riêng và được sử dụng tùy theo yêu cầu của từng mối ghép.

Phân loại theo cấp bền hệ mét (ISO 898-1)

Bulong cấp bền 8.8: Là loại phổ biến trong nhà thép tiền chế, khung máy và các liên kết bản mã thông thường.
Bulong cấp bền 10.9: Thường sử dụng cho liên kết ma sát, liên kết chịu tải lớn, mặt bích dầm – cột trong nhà nhiều tầng và hệ thống cầu trục.
Bulong cấp bền 12.9: Chủ yếu gặp ở bulong lục giác chìm DIN 912, dùng trong khuôn mẫu, đồ gá và máy móc chính xác. Cấp bền này ít được sử dụng trong kết cấu thép xây dựng.

Bulong cường độ cao gồm các cấp bền 8.8, 10.9 và 12.9.

Phân loại theo hệ tiêu chuẩn kết cấu

Ngoài cấp bền hệ mét, bulong cường độ cao còn được sản xuất theo các hệ tiêu chuẩn kết cấu khác nhau.

Bộ bulong HV (EN 14399-4)

Thuộc hệ tiêu chuẩn của Đức, có đặc điểm ren ngắn, đai ốc dày và kích thước giác lớn.
Được thiết kế để khi quá tải, ren đai ốc bị tuốt trước.
Trên đầu bulong có dập ký hiệu HV để nhận biết.

Bộ bulong HR (EN 14399-3)

Thuộc hệ tiêu chuẩn của Anh và Pháp, có phần ren dài hơn so với hệ HV.
Được thiết kế để khi quá tải, bulong giãn dài và đứt trước.
Trên đầu bulong có ký hiệu HR.

Bulong tự đứt TC, S10T

Có đầu tròn, phần đuôi ren được thiết kế thêm chuôi có rãnh khía (spline).
Được siết bằng máy chuyên dụng từ một phía. Khi đạt lực căng thiết kế, phần chuôi ở đuôi sẽ tự đứt, giúp kiểm tra tình trạng siết bằng mắt thường.
Các tiêu chuẩn áp dụng gồm JSS II 09 của Nhật Bản (S10T), EN 14399-10 của châu Âu và ASTM F3125 Grade F1852/F2280 của Mỹ.

Bulong F8T, F10T (JIS B 1186)

Đây là bộ bulong lục giác cường độ cao theo tiêu chuẩn Nhật Bản, chuyên dùng cho các liên kết ma sát. Loại này thường xuất hiện trong các công trình nhà thép do nhà thầu Nhật Bản hoặc Hàn Quốc thiết kế.

Bulong A325, A490 (ASTM F3125)

Là bulong kết cấu cường độ cao theo tiêu chuẩn Mỹ. Trong đó, A325 có cơ tính gần với cấp 8.8 và A490 gần với cấp 10.9.
Thường được chỉ định trong hồ sơ thiết kế nhà thép tiền chế theo tiêu chuẩn Mỹ.

Bulong cường độ cao gồm các hệ HV, HR, TC, S10T, F10T và A325/A490.

Phân loại theo kiểu đầu và kiểu ren

Nếu xét theo hình dạng và cấu tạo, bulong cường độ cao còn có các loại phổ biến sau:

Bulong lục giác ngoài ren lửng (DIN 931, ISO 4014).
Bulong lục giác ngoài ren suốt (DIN 933, ISO 4017).
Bulong lục giác chìm (DIN 912).
Bulong neo móng cường độ cao.
Ty ren cường độ cao cấp 8.8 trở lên.

Bulong cường độ cao đa dạng kiểu đầu, kiểu ren và cấu tạo.

3. Các yêu cầu kỹ thuật của bulong cường độ cao

Để đáp ứng khả năng chịu lực theo thiết kế, bulong cường độ cao phải đảm bảo các yêu cầu về vật liệu, cơ tính, ký hiệu nhận biết và phương pháp lắp đặt.

Vật liệu và nhiệt luyện

Vật liệu chế tạo phải có hàm lượng carbon và các nguyên tố hợp kim phù hợp để đạt độ cứng sau khi tôi.

Bulong cường độ cao phải được tôi và ram ở nhiệt độ quy định. Đặc biệt, với cấp bền 10.9 và 12.9, tiêu chuẩn ISO 898-1 có quy định cụ thể về nhiệt độ ram tối thiểu.

Ngoài ra, bề mặt ren không được xảy ra hiện tượng thoát carbon vượt quá giới hạn cho phép. Nếu lớp bề mặt bị thoát carbon quá mức, ren bulong sẽ mềm hơn và dễ bị tuốt khi chịu lực.

Độ cứng nằm trong giới hạn quy định

Mỗi cấp bền có một khoảng độ cứng riêng theo tiêu chuẩn ISO 898-1. Chẳng hạn:

Bulong cấp bền 10.9: 320 – 380 HV.
Bulong cấp bền 12.9: 385 – 435 HV.

Nếu độ cứng quá thấp, bulong có thể không đạt cơ tính yêu cầu. Ngược lại, độ cứng quá cao sẽ khiến vật liệu giòn hơn và dễ gãy đột ngột khi chịu tải.

Ký hiệu nhận biết trên bulong

Đối với bulong cường độ cao, ký hiệu dập trên đầu là một trong những thông tin quan trọng để kiểm tra sản phẩm.

Đầu bulong phải có ký hiệu cấp bền như 8.8, 10.9 và ký hiệu nhà sản xuất.
Với bộ bulong kết cấu theo EN 14399, trên đầu còn có ký hiệu HV hoặc HR, đồng thời có dấu CE.
Đai ốc đi kèm phải được dập ký hiệu cấp bền tương ứng, chẳng hạn cấp 8 hoặc cấp 10.

Sự đồng bộ giữa bulong, đai ốc và long đen

Bulong cường độ cao phải được sử dụng cùng đai ốc và long đen phù hợp về cấp bền cũng như hệ tiêu chuẩn.

Ví dụ, bulong cấp bền 10.9 cần sử dụng với đai ốc cấp 10 và long đen đã được tôi cứng.

Đặc biệt, đối với liên kết ma sát và bộ bulong theo EN 14399, cả bộ bulong, đai ốc và long đen phải được cùng một nhà sản xuất cung cấp theo lô, kèm thông tin về hệ số mômen (k-class).

Không được tự ý thay thế đai ốc hoặc long đen bằng sản phẩm của nhà cung cấp khác vì có thể làm thay đổi đặc tính siết của cả bộ liên kết.

Yêu cầu đối với long đen cứng

Long đen sử dụng cho bulong cường độ cao phải là loại đã qua tôi cứng, với độ cứng theo từng tiêu chuẩn:

EN 14399-6: 300 – 370 HV.
ASTM F436: 38 – 45 HRC.

Nếu sử dụng long đen quá mềm, bề mặt long đen có thể bị lún dưới lực ép của đai ốc, dẫn đến giảm lực căng trước của bulong.

Lớp phủ bề mặt và hiện tượng giòn hydro

Bulong cấp bền 10.9, đặc biệt là cấp 12.9, nhạy cảm với hiện tượng giòn hydro khi mạ kẽm điện phân.

Vì vậy, quá trình mạ phải có công đoạn khử hydro theo yêu cầu của ISO 4042.

Ngoài ra:

Bulong cấp bền 12.9 thường không được mạ kẽm nhúng nóng.
Bulong cấp bền 8.8 và 10.9 khi mạ kẽm nhúng nóng phải sử dụng đai ốc được taro rộng tương ứng.

Siết bulong đúng lực yêu cầu

Đối với liên kết ma sát hoặc liên kết chịu kéo có yêu cầu căng trước, bulong phải được siết đến lực căng thiết kế.

Một số phương pháp siết thường được sử dụng gồm:

Phương pháp mômen: Sử dụng cờ lê lực và siết theo giá trị mômen đã được hiệu chỉnh.
Phương pháp góc xoay (Turn-of-nut): Siết sơ bộ, sau đó tiếp tục xoay đai ốc thêm một góc theo quy định.
Bulong tự đứt TC: Sử dụng máy siết chuyên dụng cho đến khi phần chuôi đuôi bulong tự đứt.
Long đen chỉ thị lực căng (DTI): Theo EN 14399-9 hoặc ASTM F959, các vấu trên long đen bị ép bẹp khi đạt lực căng yêu cầu.

Lưu ý: Bulong cường độ cao đã được siết đến lực căng trước thường không được tái sử dụng.

Bulong cường độ cao cần đảm bảo cơ tính, ký hiệu và lực siết theo tiêu chuẩn kỹ thuật.

4. Tiêu chuẩn của bulong cường độ cao

Bulong cường độ cao được sản xuất và kiểm tra theo nhiều hệ tiêu chuẩn khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu cơ tính, kích thước, kiểu liên kết và phương pháp lắp đặt.

Bảng dưới đây tổng hợp các tiêu chuẩn thường gặp:

Nhóm tiêu chuẩn	Tiêu chuẩn	Nội dung
Cơ tính bulong	ISO 898-1 / TCVN 1916	Cấp bền 8.8, 9.8, 10.9, 12.9
Cơ tính đai ốc	ISO 898-2	Cấp bền đai ốc 8, 10, 12
Kích thước bulong lục giác	ISO 4014, ISO 4017 / DIN 931, DIN 933	Bulong lục giác ren lửng, ren suốt
Kích thước lục giác chìm	ISO 4762 / DIN 912	Bulong lục giác chìm đầu trụ
Bộ bulong kết cấu châu Âu	EN 14399-1 đến EN 14399-10	Yêu cầu chung, hệ HV, HR, long đen, bulong tự đứt, long đen chỉ thị lực căng
Bộ bulong kết cấu Nhật	JIS B 1186; JSS II 09	Bộ bulong F8T, F10T; bulong tự đứt S10T
Bulong kết cấu Mỹ	ASTM F3125 (A325, A490, F1852, F2280); ASTM A563 (đai ốc); ASTM F436 (long đen)	Bulong kết cấu cường độ cao và phụ kiện
Thiết kế liên kết	TCVN 5575:2012; EN 1993-1-8; AISC 360 / RCSC	Cường độ tính toán, lực căng trước, quy trình siết
Lớp mạ	ISO 4042; ISO 10684	Mạ điện phân, mạ nhúng nóng và yêu cầu chống giòn hydro

Trong bản vẽ thiết kế, cấp bền và hệ tiêu chuẩn của bộ bulong thường được ghi rõ, chẳng hạn:

Bulong M20 cấp 10.9 theo EN 14399-4 (HV).
Bulong S10T M22.

Khi đặt hàng, cần đối chiếu đúng hệ tiêu chuẩn được chỉ định trên bản vẽ, thay vì chỉ lựa chọn theo cấp bền.

Bởi dù cùng là bulong cấp 10.9, các hệ HV, HR, DIN hay JIS vẫn có thể khác nhau về kích thước đai ốc, chiều dài phần ren và hệ số siết. Việc sử dụng không đúng hệ tiêu chuẩn có thể ảnh hưởng đến yêu cầu kỹ thuật của bộ liên kết.

Các tiêu chuẩn bulong cường độ cao quy định cơ tính, kích thước và yêu cầu lắp đặt.

5. Tiêu chuẩn về tính chất cơ học của bulong cường độ cao

Bên cạnh kích thước và kiểu liên kết, các thông số cơ tính là cơ sở để đánh giá khả năng chịu lực của bulong cường độ cao.

Tùy theo tiêu chuẩn ISO, JIS hay ASTM, giới hạn bền kéo, giới hạn chảy và độ cứng của từng cấp bền sẽ có sự khác nhau.

Bảng tra cơ tính bulong cường độ cao theo các hệ tiêu chuẩn

Cấp bền	Tiêu chuẩn	Giới hạn bền kéo (MPa)	Giới hạn chảy tối thiểu (MPa)	Độ cứng
8.8 (d ≤ 16mm)	ISO 898-1	≥ 800	640	250 – 320 HV
8.8 (d > 16mm)	ISO 898-1	≥ 830	660	255 – 335 HV
10.9	ISO 898-1	≥ 1.040	940	320 – 380 HV
12.9	ISO 898-1	≥ 1.220	1.1	385 – 435 HV
F8T	JIS B 1186	800 – 1.000	640	Theo tiêu chuẩn
F10T / S10T	JIS B 1186 / JSS II 09	1.000 – 1.200	900	Theo tiêu chuẩn
A325 (đến 1 inch)	ASTM F3125	≥ 830 (120 ksi)	Khoảng 635 (92 ksi)	Theo tiêu chuẩn
A490	ASTM F3125	1.035 – 1.190 (150 – 173 ksi)	Khoảng 895 (130 ksi)	Theo tiêu chuẩn

Lưu ý khi tra bảng cơ tính

Đối với hệ ISO, giá trị cơ tính tối thiểu có thể cao hơn giá trị danh nghĩa thể hiện qua ký hiệu cấp bền. Ví dụ, bulong cấp 10.9 có giới hạn bền kéo danh nghĩa 1.000 MPa nhưng giá trị tối thiểu theo tiêu chuẩn là 1.040 MPa.
Với hệ JIS và ASTM, tiêu chuẩn còn quy định giới hạn trên của độ bền kéo. Chẳng hạn, F10T có giới hạn bền kéo tối đa 1.200 MPa, còn A490 tối đa 173 ksi. Quy định này nhằm hạn chế tình trạng bulong quá cứng và dễ bị giòn.

Yêu cầu đối với đai ốc và long đen đi kèm

Để đảm bảo khả năng làm việc của bộ liên kết, đai ốc và long đen phải đáp ứng các yêu cầu tương ứng với cấp bền bulong.

Đai ốc: Theo ISO 898-2, bulong cấp 8.8 sử dụng đai ốc cấp 8, bulong 10.9 dùng đai ốc cấp 10 và bulong 12.9 dùng đai ốc cấp 12. Đối với hệ Mỹ, đai ốc ASTM A563 Grade DH hoặc ASTM A194 Grade 2H được sử dụng cho A325, A490.
Long đen: Phải là loại đã tôi cứng, đáp ứng độ cứng 300 – 370 HV theo EN 14399-6 hoặc 38 – 45 HRC theo ASTM F436.

Kiểm tra cơ tính bulong cường độ cao theo tiêu chuẩn kỹ thuật.

6. Bảng tra chi tiết về cấp bền của bulong cường độ cao

Ngoài các thông số cơ tính, lực kéo đứt và lực căng trước cũng là những giá trị thường được sử dụng khi tra cứu bulong cường độ cao.

Hai thông số này có ý nghĩa khác nhau, vì vậy cần phân biệt rõ khi đối chiếu với yêu cầu thiết kế.

Bảng lực kéo đứt tối thiểu theo cỡ ren (kN)

Theo ISO 898-1, lực kéo đứt tối thiểu được xác định dựa trên giới hạn bền kéo tối thiểu và tiết diện chịu ứng suất của bulong.

Bảng dưới đây áp dụng cho bulong ren thô:

Cỡ ren	Tiết diện As (mm²)	Cấp 8.8	Cấp 10.9	Cấp 12.9
M12	84,3	67	88	103
M16	157	125	163	192
M20	245	203	255	299
M22	303	251	315	370
M24	353	293	367	431
M27	459	381	477	560
M30	561	466	583	684
M36	817	678	850	997

Công thức tính:

Lực kéo đứt tối thiểu = Giới hạn bền kéo tối thiểu × Tiết diện chịu ứng suất As

Riêng bulong cấp 8.8 có kích thước lớn hơn M16, giới hạn bền kéo tối thiểu được tính theo giá trị 830 MPa.

Bảng lực căng trước thiết kế cho liên kết ma sát (kN)

Đối với liên kết ma sát, bulong phải được siết đến lực căng trước theo yêu cầu thiết kế.

Theo EN 1993-1-8, lực căng trước được xác định bằng công thức:

Fp,C = 0,7 × fub × As

Trong đó, fub là giới hạn bền kéo danh nghĩa của bulong:

Cấp bền 8.8: fub = 800 MPa.
Cấp bền 10.9: fub = 1.000 MPa.

Bảng tra lực căng trước thiết kế:

Cỡ ren	Cấp 8.8 (kN)	Cấp 10.9 (kN)
M12	47	59
M16	88	110
M20	137	172
M22	170	212
M24	198	247
M27	257	321
M30	314	393
M36	458	572

Một số lưu ý khi sử dụng bảng tra

Lực kéo đứt là lực gây phá hủy bulong, không phải tải trọng làm việc cho phép.
Lực căng trước là lực cần đạt được khi siết bulong trong liên kết ma sát theo Eurocode. Tiêu chuẩn Mỹ (RCSC) và Nhật Bản (JIS) có bảng lực căng trước riêng, với giá trị có thể chênh lệch đôi chút.
Mômen siết để đạt lực căng trước phụ thuộc vào hệ số ma sát của bộ bulong (k-class) và tình trạng bôi trơn. Giá trị mômen phải được xác định theo chứng chỉ của nhà sản xuất hoặc kết quả hiệu chỉnh tại công trường, không sử dụng chung một bảng mômen cho mọi lô hàng.
Kích thước, cấp bền và số lượng bulong phải được kỹ sư kết cấu lựa chọn dựa trên tính toán. Các bảng trên chỉ dùng để tra cứu, đối chiếu thông số và không thay thế cho thiết kế kỹ thuật.

Bảng tra lực kéo đứt và lực căng trước của bulong cường độ cao theo cỡ ren, cấp bền.

7. Mua bulong cường độ cao tại Công nghiệp Trường Phú

Đối với các công trình kết cấu thép và hệ thống máy móc chịu tải lớn, việc lựa chọn bulong cường độ cao cần đảm bảo đúng cấp bền, quy cách và tiêu chuẩn được chỉ định trên bản vẽ. Bên cạnh đó, đai ốc và long đen đi kèm cũng phải phù hợp để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của bộ liên kết.

Nếu đang cần tìm mua bulong cường độ cao cho nhà máy hoặc công trình, Công nghiệp Trường Phú cung cấp các sản phẩm:

Bulong thép đen cấp bền 10.9, 12.9.
Bulong lục giác chìm cấp bền 12.9.
Tán, đai ốc theo tiêu chuẩn DIN/ISO.

Trường Phú có nguồn hàng sẵn, hỗ trợ giao hàng nhanh trên toàn quốc và hiện đang đồng hành cùng các nhà máy như Thaco, CTR Vina, Kacher và Tinfulong.

Để được tư vấn lựa chọn bulong cường độ cao theo cấp bền, kích thước và tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp, hãy liên hệ Công nghiệp Trường Phú qua hotline 0989 209 898 để nhận báo giá.