Cường độ chịu cắt của bu lông là gì? Cách tính và các yếu tố ảnh hưởng

Cường độ chịu cắt là một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất khi thiết kế và thi công các liên kết bu lông trong kết cấu thép. Trong thực tế, bu lông không chỉ chịu kéo dọc trục mà còn chịu các lực tác động theo phương vuông góc – gọi là lực cắt. Nếu không tính toán đúng cường độ chịu cắt của bu lông, liên kết có thể bị đứt gãy sớm hơn tính toán gây mất an toàn công trình. Vậy cường độ chịu cắt của bu lông là gì, cách tính ra sao và những yếu tố nào ảnh hưởng đến nó? Hãy cùng Kokentech tìm hiểu chi tiết qua bài viết dưới đây.
 

Cường độ chịu cắt của Bu lông

1. Nguyên lý làm việc của bu lông trong liên kết chịu cắt

Khi hai cấu kiện thép được liên kết bằng bu lông và chịu tác động từ lực cắt ngang, toàn bộ tải trọng sẽ truyền từ cấu kiện này sang cấu kiện kia thông qua thân bu lông. Bu lông lúc này đóng vai trò như một "trục truyền lực", chịu cắt tại mặt tiếp xúc giữa các tấm thép.

Nếu lực cắt vượt quá khả năng chịu đựng của bu lông, nó sẽ bị đứt tại mặt cắt ngang – gây mất liên kết. Do đó, việc thiết kế đúng cường độ chịu cắt và số lượng bu lông phù hợp là yếu tố bắt buộc để đảm bảo an toàn trong liên kết kết cấu thép, đặc biệt trong các công trình cầu đường, nhà thép tiền chế, hay lắp ráp thiết bị công nghiệp.
 

2. Công thức tính lực cắt và cường độ chịu cắt của bu lông

Trước khi tính toán, bạn cần xác định các thông số sau:

Đường kính bu lông

• d: Đường kính danh nghĩa của bu lông (mm)

• As: Diện tích chịu cắt của thân bu lông (mm²)

• τmax: Cường độ chịu cắt cho phép của vật liệu (MPa)

• V: Lực cắt tác động lên bu lông (N hoặc kN)

• n: Số lượng bu lông trong tổ hợp liên kết

Công thức tính lực cắt cho 1 bu lông:

V=τmax×As

Trong đó:

• As = (π × d²) / 4 nếu là bu lông tròn đặc

• Nếu bu lông có nhiều mặt chịu cắt (liên kết 2 mặt), nhân đôi diện tích

Ví dụ minh họa cách tính:

Giả sử bạn sử dụng bu lông M16, vật liệu thép cấp bền 8.8, có lực cắt tác động 35 kN lên liên kết và bu lông chịu cắt một mặt.

• d = 16 mm → As = π × 16² / 4 = 201 mm²

• Cường độ chịu cắt cho phép (theo cấp bền 8.8) ~ 0.6 × 800 = 480 MPa

→ Cường độ chịu cắt của một bu lông:

V=480×201=96,480 N =96.48 kN

Kết luận: Với lực cắt 35 kN, chỉ cần 1 bu lông M16 đã đủ khả năng chịu lực. Tuy nhiên, trên thực tế sẽ cộng thêm hệ số an toàn và sử dụng từ 2 bu lông trở lên.

​➡️  KHÁM PHÁ: 
> CÁC LOẠI BULONG LỤC GIÁC CHÌM
> CÁC LOẠI BULONG LIÊN KẾT
> CÁC LOẠI BULONG CHỊU LỰC
> CÁC LOẠI BULONG NỞ
> CÁC LOẠI BULONG NEO MÓNG
 

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu cắt

Cường độ chịu cắt của bu lông không chỉ phụ thuộc vào thiết kế ban đầu mà còn bị chi phối bởi nhiều yếu tố thực tế trong thi công. Hiểu rõ các yếu tố này sẽ giúp kỹ sư lựa chọn loại bu lông phù hợp và đảm bảo độ bền vững cho công trình.

Bu lông thép đen

3.1. Vật liệu chế tạo bu lông

Mỗi loại vật liệu sẽ có giới hạn bền riêng, từ đó ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt của bu lông trong quá trình làm việc. Những vật liệu có cường độ cao thường được sử dụng cho liên kết trọng tải lớn hoặc môi trường khắc nghiệt.

Vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng và cường độ chịu cắt của bu lông. Bu lông cấp bền càng cao (6.8, 8.8, 10.9, 12.9), cường độ chịu lực càng lớn. Inox và thép hợp kim có hiệu suất tốt nhưng giá thành cao.

3.2. Đường kính và cấp bền bu lông

Kích thước danh nghĩa của bu lông là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến diện tích mặt cắt chịu cắt. Kết hợp với cấp bền, đây là hai thông số quan trọng nhất để tính toán khả năng làm việc của bu lông.

Bu lông bằng inox 304

Bu lông có đường kính lớn và cấp bền cao sẽ có diện tích chịu cắt lớn hơn và chịu được tải trọng tốt hơn. Ví dụ: M20 sẽ chịu lực tốt hơn M12 trong cùng điều kiện vật liệu.

3.3. Số lượng bu lông trong liên kết

Việc sử dụng nhiều bu lông không chỉ chia đều tải trọng mà còn tăng độ ổn định cho mối ghép. Sự phân bố bu lông hợp lý sẽ hạn chế ứng suất tập trung tại một điểm, từ đó nâng cao hiệu quả truyền lực.

Sơ đồ bu lông liên kết

Tăng số lượng bu lông giúp phân tán lực cắt đều hơn. Việc bố trí bu lông hợp lý (so le, đối xứng) cũng giúp nâng cao hiệu quả chịu tải và giảm ứng suất tập trung.

3.5. Điều kiện tải trọng và môi trường làm việc

Bu lông hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, như rung động mạnh hoặc ăn mòn hóa học, sẽ có tuổi thọ ngắn hơn nếu không được chọn đúng vật liệu và lớp bảo vệ. Tải trọng thay đổi liên tục cũng là yếu tố khiến liên kết dễ bị suy giảm theo thời gian.

Tải trọng tĩnh khác với tải trọng động. Liên kết trong môi trường rung, sốc tải hoặc ăn mòn đòi hỏi bu lông cường độ cao và có lớp bảo vệ bề mặt (xi mạ, nhúng nóng, phủ chống gỉ...).
 

4. Tiêu chuẩn kỹ thuật về cường độ chịu cắt của bu lông

Khi thiết kế liên kết chịu cắt, kỹ sư cần tham khảo các tiêu chuẩn kỹ thuật chính thống như:

Chất liệu bulong

• TCVN 5575:2012 – Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế

• DIN 18800 (Đức) – Liên kết bulong kết cấu

• AISC (Mỹ) – Specification for Structural Steel Buildings

• Eurocode 3 (Châu Âu) – Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép

Các tiêu chuẩn này quy định rõ giá trị cho phép của lực cắt, mô-men xiết bu lông, khoảng cách tối thiểu giữa các bu lông và điều kiện thiết kế an toàn.
 

5. So sánh bu lông chịu cắt và bu lông chịu kéo

Bu lông trong kết cấu thép có thể được thiết kế để chịu kéo hoặc chịu cắt, tùy theo hướng tác động của tải trọng. Mỗi loại sẽ có yêu cầu khác nhau về thiết kế, tính toán và lắp đặt.
 

➡️  Bảng so sánh: Bu lông chịu cắt với Bu lông chịu kéo:
 

Cường độ chịu cắt của bu lông là một thông số quan trọng, quyết định đến tính ổn định và an toàn của kết cấu liên kết trong xây dựng và cơ khí. Việc hiểu rõ nguyên lý, cách tính toán và các yếu tố ảnh hưởng sẽ giúp kỹ sư đưa ra giải pháp thiết kế chính xác, tiết kiệm chi phí và tránh rủi ro trong thi công. Khi lựa chọn bu lông cho các liên kết chịu cắt, hãy ưu tiên sử dụng sản phẩm đạt chuẩn kỹ thuật, từ các nhà cung cấp uy tín như Kokentech, chúng tôi cam kết cung cấp đầy đủ giấy tờ kỹ thuật, bảng tải trọng và tư vấn kỹ thuật chuyên sâu miễn phí cho khách hàng.