TCVN 1916:1995 là tiêu chuẩn quốc gia quy định yêu cầu kỹ thuật cho bu lông, vít, vít cấy và đai ốc có ren hệ mét. Đây là “ngôn ngữ chung” giữa người thiết kế, nhà sản xuất và nhà thầu mỗi khi ghi “bu lông M20 cấp bền 8.8” trên bản vẽ. Trong kết cấu thép nhà xưởng, hàng chục nghìn bu lông liên kết cột, kèo, xà gồ, giằng và bu lông neo móng chính là nơi truyền toàn bộ tải trọng của công trình. Một lô bu lông không đạt cấp bền, đai ốc không tương thích hay lớp mạ không phù hợp có thể trở thành điểm yếu nguy hiểm nhất của cả hệ khung. Bài viết này phân tích phạm vi, hệ thống cấp bền, yêu cầu vật liệu, ghi nhãn, lớp phủ và phương pháp thử theo TCVN 1916:1995. Đồng thời, bài viết hướng dẫn cách kiểm soát chất lượng bu lông khi gia công và lắp dựng nhà xưởng, dựa trên kinh nghiệm thực tế của đội ngũ kỹ sư VMSTEEL.
Phạm Vi Áp Dụng Của TCVN 1916:1995
TCVN 1916:1995 có tên “Bu lông, vít, vít cấy và đai ốc – Yêu cầu kỹ thuật”. Tiêu chuẩn áp dụng cho các chi tiết kẹp chặt có ren hệ mét với đường kính ren từ 1 mm đến 48 mm, được chế tạo từ:
- Thép cacbon và thép hợp kim.
- Thép không gỉ, thép bền nhiệt.
- Hợp kim màu như đồng thau, đồng, nhôm.
Tiêu chuẩn quy định cấp bền, cơ tính, vật liệu, lớp phủ bề mặt, ghi nhãn, dung sai, phương pháp thử và quy tắc nghiệm thu. Hệ thống cấp bền trong TCVN 1916:1995 tương thích với nguyên tắc của tiêu chuẩn quốc tế ISO 898 cho chi tiết kẹp chặt bằng thép cacbon và thép hợp kim.
Phân Biệt Bu Lông, Vít, Vít Cấy Và Đai Ốc
- Bu lông: có đầu và thân ren, dùng kèm đai ốc để kẹp chặt các chi tiết.
- Vít: có đầu, vặn trực tiếp vào lỗ ren của chi tiết mà không cần đai ốc.
- Vít cấy (gu dông, bu lông cấy): thanh ren không có đầu, một đầu cấy vào chi tiết, đầu kia lắp đai ốc.
- Đai ốc: chi tiết có lỗ ren, lắp với bu lông hoặc vít cấy.
Hệ Thống Cấp Bền Bu Lông Theo TCVN 1916:1995
Cấp bền của bu lông, vít, vít cấy bằng thép được ký hiệu bằng hai con số cách nhau bởi dấu chấm, ví dụ 4.6, 5.6, 8.8, 10.9, 12.9. Ý nghĩa của ký hiệu:
- Số thứ nhất × 100 = giới hạn bền kéo danh nghĩa Rm (MPa).
- Số thứ hai ÷ 10 = tỷ số giữa giới hạn chảy và giới hạn bền.
- Tích hai số × 10 = giới hạn chảy danh nghĩa (MPa).
Ví dụ, bu lông cấp bền 8.8 có Rm danh nghĩa 800 MPa, giới hạn chảy danh nghĩa 0,8 × 800 = 640 MPa.
| Cấp Bền | Giới Hạn Bền Danh Nghĩa Rm (MPa) | Giới Hạn Chảy Danh Nghĩa (MPa) | Ứng Dụng Điển Hình Trong Kết Cấu Thép |
|---|---|---|---|
| 4.6 | 400 | 240 | Liên kết phụ, xà gồ, bu lông neo không chịu lực lớn |
| 5.6 | 500 | 300 | Bu lông neo móng, liên kết giằng, xà gồ |
| 6.8 | 600 | 480 | Liên kết thông thường chịu lực trung bình |
| 8.8 | 800 | 640 | Liên kết cột – kèo, nối kèo, bu lông neo chịu lực lớn |
| 10.9 | 1.000 | 900 | Liên kết chịu lực lớn, liên kết ma sát (bu lông cường độ cao) |
| 12.9 | 1.200 | 1.080 | Chi tiết cơ khí đặc biệt, ít dùng trong kết cấu nhà xưởng |
Lưu ý: bảng trên thể hiện giá trị danh nghĩa suy ra từ ký hiệu cấp bền. Giá trị cơ tính tối thiểu thực tế (Rm min, giới hạn chảy min, độ cứng, độ giãn dài) thay đổi theo đường kính và được quy định chi tiết trong các bảng của tiêu chuẩn. Ví dụ, với cấp 8.8, giá trị yêu cầu cho đường kính lớn hơn 16 mm khác với đường kính nhỏ hơn.
Cấp Bền Đai Ốc
Đai ốc được ký hiệu bằng một con số như 4, 5, 6, 8, 10, 12. Con số này tương ứng với cấp bền của bu lông mà đai ốc được phép lắp ghép. Nguyên tắc cơ bản: đai ốc phải có cấp bền bằng hoặc cao hơn cấp bền bu lông ghép cặp. Bu lông 8.8 dùng đai ốc cấp 8. Bu lông 10.9 dùng đai ốc cấp 10. Nếu dùng đai ốc cấp thấp hơn, ren đai ốc có thể bị tuốt trước khi thân bu lông đạt tải thiết kế.
Cơ Tính Tối Thiểu Thay Đổi Theo Đường Kính
Giá trị danh nghĩa trong ký hiệu cấp bền chỉ là “tên gọi”. Khi nghiệm thu, cơ tính thực tế được so với giá trị tối thiểu trong bảng của tiêu chuẩn. Theo hệ thống ISO 898-1 mà TCVN 1916:1995 tương thích, một số giá trị tham khảo thường dùng là:
- Cấp 4.6: Rm min 400 MPa, giới hạn chảy min 240 MPa, độ giãn dài sau đứt khoảng 22%.
- Cấp 5.6: Rm min 500 MPa, giới hạn chảy min 300 MPa, độ giãn dài khoảng 20%.
- Cấp 8.8, d ≤ 16 mm: Rm min 800 MPa, giới hạn chảy quy ước Rp0,2 min 640 MPa, độ cứng khoảng 250–320 HV.
- Cấp 8.8, d > 16 mm: Rm min 830 MPa, Rp0,2 min 660 MPa, độ cứng khoảng 255–335 HV.
- Cấp 10.9: Rm min 1.040 MPa, Rp0,2 min 940 MPa, độ cứng khoảng 320–380 HV.
Điều này có nghĩa là một bu lông M20 cấp 8.8 có Rm đo được 810 MPa vẫn không đạt, dù con số này lớn hơn 800 MPa danh nghĩa. Khi đọc kết quả thí nghiệm, kỹ sư giám sát phải tra đúng dòng theo đường kính, không so với con số trong ký hiệu. Các bạn nên đối chiếu trực tiếp bảng trong bản tiêu chuẩn đang áp dụng cho hợp đồng.
Tải Trọng Phá Hủy Tối Thiểu Và Tải Trọng Thử
Thử kéo bu lông nguyên chiếc cho kết quả bằng lực (kN), nên tiêu chuẩn quy đổi ứng suất thành lực thông qua diện tích chịu ứng suất của ren As. Công thức tổng quát là: tải trọng phá hủy tối thiểu = As × Rm min. Ví dụ với bu lông cấp 8.8:
- M16: As ≈ 157 mm², tải phá hủy tối thiểu khoảng 125 kN.
- M20: As ≈ 245 mm², tải phá hủy tối thiểu khoảng 203 kN.
- M24: As ≈ 353 mm², tải phá hủy tối thiểu khoảng 293 kN.
Tải trọng thử (proof load) thấp hơn giới hạn chảy một chút. Bu lông phải chịu tải thử trong thời gian quy định mà chiều dài sau khi dỡ tải không thay đổi vượt quá dung sai cho phép. Với M20 cấp 8.8, tải thử vào khoảng 147 kN. Hai chỉ tiêu này giúp phòng thí nghiệm đánh giá nhanh một lô bu lông mà không cần gia công mẫu tiện.
Vật Liệu, Nhiệt Luyện, Lớp Phủ Và Ghi Nhãn
Vật Liệu Và Nhiệt Luyện
- Cấp bền thấp (4.6, 5.6) thường chế tạo từ thép cacbon thấp và trung bình, không cần tôi ram.
- Cấp bền 8.8 trở lên được chế tạo từ thép cacbon trung bình hoặc thép hợp kim, bắt buộc tôi và ram để đạt cơ tính. Đây là lý do bu lông 8.8 “nhái”, chỉ dập ký hiệu mà không nhiệt luyện, có cơ tính thực tế chỉ tương đương cấp 4.6–5.6.
- Đai ốc cấp 8 trở lên cũng cần kiểm soát vật liệu và nhiệt luyện tương ứng. Long đen dùng cho liên kết bu lông cường độ cao phải được tôi cứng để không bị lún dưới mặt tựa của đầu bu lông khi siết căng.
- Thép chế tạo bu lông cấp bền cao cần giới hạn hàm lượng phốt pho, lưu huỳnh và kiểm soát nhiệt độ ram tối thiểu. Nhiệt độ ram quá thấp làm bu lông cứng nhưng giòn, dễ gãy đột ngột khi chịu va đập hoặc tải trọng lặp.
Lớp Phủ Bề Mặt
Tiêu chuẩn cho phép các loại lớp phủ như mạ kẽm, mạ cadimi, mạ crôm, mạ niken, oxy hóa, với yêu cầu về chiều dày lớp phủ. Trong kết cấu thép nhà xưởng, hai lựa chọn phổ biến nhất là:
- Mạ kẽm điện phân: lớp mạ mỏng, bề mặt sáng đẹp, phù hợp cho bu lông trong nhà, môi trường khô.
- Mạ kẽm nhúng nóng: lớp mạ dày, phù hợp cho bu lông ngoài trời, bu lông neo, công trình ven biển. Ren đai ốc phải được gia công với dung sai phù hợp để lắp được với ren bu lông đã mạ dày.
Với bu lông cấp 10.9 trở lên, cần thận trọng khi mạ kẽm nhúng nóng hoặc mạ điện phân vì nguy cơ giòn hydro. Nhà sản xuất phải có quy trình xử lý khử hydro và kiểm soát nhiệt độ phù hợp. Các yêu cầu chi tiết về lớp mạ kẽm nhúng nóng cho kết cấu và chi tiết thép được trình bày trong bài TCVN 10355:2018 – Tiêu Chuẩn Thép mạ kẽm Nhúng Nóng.
Ghi Nhãn
Bu lông, vít cấy và đai ốc có đường kính ren từ 6 mm trở lên phải được ghi nhãn cấp bền và ký hiệu nhà sản xuất trên đầu bu lông, đầu vít cấy hoặc mặt đai ốc. Khi nghiệm thu vật tư, VMSTEEL luôn kiểm tra 100% lô hàng về sự tồn tại và rõ nét của ký hiệu. Lô hàng không có ký hiệu cấp bền bị loại ngay, bất kể chứng chỉ đi kèm ghi gì.
Cách Ghi Yêu Cầu Bu Lông Trên Bản Vẽ Và Đơn Đặt Hàng
Để tránh nhầm lẫn khi mua sắm, yêu cầu bu lông trên bản vẽ và đơn đặt hàng nên ghi đầy đủ: loại chi tiết (bu lông đầu lục giác, vít cấy, bu lông neo), đường kính và bước ren, chiều dài, cấp bền bu lông, cấp bền đai ốc tương ứng, loại và số lượng long đen, loại lớp phủ (mạ điện phân hay mạ nhúng nóng), tiêu chuẩn áp dụng và yêu cầu chứng chỉ. Ví dụ: “Bu lông M20×70, cấp bền 8.8, đai ốc cấp 8, 2 long đen phẳng, mạ kẽm nhúng nóng, theo TCVN 1916:1995, kèm chứng chỉ thử cơ tính theo lô”. Một dòng ghi đủ như vậy giúp loại bỏ phần lớn tranh chấp khi nghiệm thu vật tư.
Phương Pháp Thử Và Nghiệm Thu Theo TCVN 1916:1995
Tiêu chuẩn quy định các phương pháp thử để xác định bu lông, đai ốc có đạt cấp bền công bố hay không:
- Thử kéo bu lông nguyên chiếc: xác định tải trọng phá hủy tối thiểu. Các phụ lục của tiêu chuẩn cho bảng tải trọng phá hủy tối thiểu theo từng cỡ ren và cấp bền.
- Thử kéo với vòng đệm nghiêng (thử nêm): kiểm tra độ bền của vùng chuyển tiếp giữa đầu và thân bu lông khi chịu tải lệch.
- Thử tải trọng kiểm tra (tải thử) cho đai ốc: đai ốc phải chịu được tải thử mà không bị tuốt ren hay nứt.
- Đo độ cứng: theo Vickers, Brinell hoặc Rockwell.
- Thử va đập với các cấp bền và điều kiện làm việc có yêu cầu.
- Kiểm tra khuyết tật bề mặt: vết nứt, gấp nếp, rỗ, vết dập.
Quy Trình Kiểm Soát Bu Lông Tại Dự Án Nhà Xưởng
Tại các dự án của VMSTEEL, bu lông kết cấu được kiểm soát theo trình tự:
- Kiểm tra hồ sơ: chứng chỉ xuất xưởng (CO, CQ), kết quả thử cơ tính theo lô, xác nhận cấp bền và lớp mạ.
- Kiểm tra ngoại quan: ký hiệu cấp bền, ký hiệu nhà sản xuất, ren, lớp mạ, sự đồng bộ bu lông, đai ốc, long đen.
- Lấy mẫu thí nghiệm độc lập: với bu lông liên kết chính (8.8, 10.9), lấy mẫu gửi phòng thí nghiệm hợp chuẩn thử kéo, thử độ cứng theo tần suất quy định trong chỉ dẫn kỹ thuật.
- Bảo quản: để trong kho khô, theo từng lô, không để lẫn cấp bền, không để ngoài trời làm gỉ ren.
Ứng Dụng TCVN 1916:1995 Trong Liên Kết Kết Cấu Thép Nhà Xưởng
Bu Lông Liên Kết Cột – Kèo Và Nối Kèo
Liên kết mặt bích cột – kèo và nối kèo của khung Zamil thường dùng bu lông M16–M24 cấp 8.8, bố trí theo tính toán mô-men và lực cắt. Người thiết kế dùng cường độ tính toán của bu lông theo TCVN 5575:2024, vốn phụ thuộc trực tiếp vào cấp bền theo TCVN 1916:1995. Nếu bu lông thực tế không đạt cấp bền, toàn bộ tính toán liên kết mất ý nghĩa.
Bu Lông Neo Móng
Bu lông neo thường được gia công từ thép tròn theo bản vẽ, có đầu uốn móc hoặc bản neo, cấp bền phổ biến 5.6 hoặc 8.8. Vì là sản phẩm gia công riêng, cần chứng chỉ vật liệu thép tròn và kết quả thử cơ tính để xác nhận cấp bền, không chỉ dựa vào tên gọi.
Siết Bu Lông Và Nghiệm Thu Liên Kết
Bu lông liên kết chịu lực phải được siết đủ lực theo thiết kế. Với liên kết thông thường, siết chặt bằng cờ lê đạt mức tiếp xúc hoàn toàn giữa các bản thép. Với liên kết ma sát dùng bu lông cường độ cao, phải siết theo lực căng quy định và kiểm tra bằng cờ lê lực. Quy trình lắp dựng, siết bu lông và nghiệm thu liên kết được quy định trong bài TCVN 170:2007-2022 – Thi công và nghiệm thu kết cấu thép.
Tính Khả Năng Chịu Lực Của Bu Lông Trong Liên Kết Nhà Xưởng
Cấp bền theo TCVN 1916:1995 là đầu vào của bài toán thiết kế liên kết. Kỹ sư kết cấu không dùng trực tiếp Rm mà dùng cường độ tính toán chịu cắt và chịu kéo của bu lông, được quy định trong tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép tương ứng với từng cấp bền.
Bu Lông Chịu Kéo
Khả năng chịu kéo của một bu lông bằng cường độ tính toán chịu kéo nhân với diện tích tiết diện thực của phần ren. Trong liên kết mặt bích cột – kèo, mô-men tại nút khung tạo ra lực kéo lớn nhất ở hàng bu lông xa tâm quay nhất. Vì vậy, số lượng bu lông, khoảng cách hàng và chiều dày mặt bích phải được tính đồng thời. Mặt bích quá mỏng bị uốn cong, sinh ra lực bẩy (prying) làm tăng lực kéo trong bu lông vượt xa giá trị tính theo mô-men thuần túy.
Bu Lông Chịu Cắt Và Ép Mặt
Trong liên kết giằng, liên kết xà gồ hoặc bản nối bụng, bu lông chủ yếu chịu cắt. Khả năng chịu lực của liên kết lấy giá trị nhỏ hơn giữa khả năng chịu cắt của thân bu lông và khả năng ép mặt của bản thép quanh lỗ. Nếu mặt phẳng cắt đi qua phần ren, diện tích chịu cắt giảm đáng kể so với khi đi qua phần thân trơn. Do đó, chiều dài bu lông cần chọn sao cho phần ren không nằm trong mặt phẳng cắt ở những liên kết quan trọng.
Liên Kết Ma Sát Dùng Bu Lông Cường Độ Cao
Với liên kết ma sát, lực được truyền qua ma sát giữa các bản thép do lực căng trước của bu lông tạo ra. Khả năng chịu lực phụ thuộc lực căng trước, hệ số ma sát của bề mặt tiếp xúc (phụ thuộc cách làm sạch như phun bi, phun cát) và số mặt ma sát. Vì vậy, bề mặt tiếp xúc không được sơn trước khi lắp nếu thiết kế không cho phép, và bu lông 10.9 phải được siết đến lực căng quy định.
Lưu Ý Về Mỏi Và Tải Trọng Động
Nhà xưởng có cầu trục chịu tải trọng lặp lại hàng triệu chu kỳ. Bu lông liên kết dầm cầu trục, vai cột và ray cần được siết căng trước, dùng đai ốc hãm hoặc long đen vênh phù hợp để chống tự nới lỏng. Nếu không kiểm tra định kỳ, đai ốc có thể tự tháo dần dưới rung động, gây xô lệch ray và hư hỏng bánh xe cầu trục.
Những Lỗi Thường Gặp Khi Sử Dụng Bu Lông Trong Nhà Xưởng
- Dùng bu lông không ký hiệu cấp bền, chỉ dựa vào hóa đơn ghi “8.8”.
- Ghép bu lông 8.8 với đai ốc cấp 4 hoặc 5, gây tuốt ren khi siết hoặc khi chịu tải.
- Dùng bu lông mạ điện phân cho vị trí ngoài trời, bị gỉ sau 1–2 năm.
- Hàn bu lông với bản mã để “chắc chắn hơn”, làm mất tác dụng nhiệt luyện của bu lông cấp bền cao.
- Tái sử dụng bu lông cường độ cao đã siết căng trong liên kết ma sát.
- Để lẫn các cấp bền trong kho công trường, công nhân lắp nhầm bu lông cấp thấp vào liên kết chính.
Bảo Quản, Vận Chuyển Và Kiểm Tra Định Kỳ Bu Lông
Chất lượng bu lông không chỉ được quyết định ở nhà máy sản xuất mà còn ở cách bảo quản và bảo trì. VMSTEEL áp dụng các nguyên tắc sau cho kho vật tư công trường:
- Đóng gói theo lô: mỗi thùng ghi rõ quy cách, cấp bền, lớp mạ, số lô sản xuất, khớp với chứng chỉ.
- Kê cao, che mưa: bu lông không được đặt trực tiếp trên nền đất. Bu lông đen (chưa mạ) cần bôi dầu bảo quản ren.
- Cấp phát theo bản vẽ liên kết: tổ lắp dựng nhận bu lông theo danh mục từng trục, tránh dùng lẫn.
- Kiểm tra sau lắp dựng: kiểm tra xác suất lực siết bằng cờ lê lực trước khi nghiệm thu.
- Kiểm tra định kỳ trong vận hành: với nhà xưởng có cầu trục hoặc thiết bị rung, nên kiểm tra lực siết và tình trạng gỉ của bu lông tối thiểu mỗi năm một lần.
Câu Hỏi Thường Gặp Về TCVN 1916:1995
Bu Lông 8.8 Có Dùng Được Cho Liên Kết Ma Sát Không?
Liên kết ma sát thường dùng bu lông cường độ cao cấp 10.9 để tạo lực căng trước lớn. Bu lông 8.8 có thể dùng cho liên kết ma sát nếu thiết kế cho phép và được tính toán với lực căng tương ứng, nhưng thực tế nhà xưởng phổ biến dùng 8.8 cho liên kết chịu ép mặt thông thường.
Làm Sao Nhận Biết Bu Lông 8.8 Thật?
Kiểm tra ký hiệu “8.8” và ký hiệu nhà sản xuất dập nổi hoặc dập chìm rõ nét trên đầu bu lông, đối chiếu chứng chỉ theo số lô, và lấy mẫu thử kéo, đo độ cứng tại phòng thí nghiệm độc lập. Bu lông chỉ có ký hiệu mà độ cứng thấp là dấu hiệu chưa được tôi ram.
Có Được Mạ Kẽm Nhúng Nóng Bu Lông 10.9 Không?
Có thể, nhưng cần quy trình đặc biệt của nhà sản xuất để hạn chế giòn hydro, và đai ốc phải được taro lại ren với dung sai phù hợp. Nhiều dự án chọn giải pháp lớp phủ khác cho bu lông 10.9 ở môi trường ăn mòn.
TCVN 1916:1995 Còn Được Áp Dụng Không?
TCVN 1916:1995 vẫn được viện dẫn rộng rãi trong hồ sơ thiết kế và hợp đồng cung cấp bu lông tại Việt Nam, song song với ISO 898 và các tiêu chuẩn sản phẩm cụ thể. Khi lập hồ sơ, các bạn nên kiểm tra tình trạng hiệu lực mới nhất trên cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn quốc gia.
Tổng Kết
Tóm lại, TCVN 1916:1995 xác lập hệ thống cấp bền, yêu cầu vật liệu, lớp phủ, ghi nhãn và phương pháp thử cho bu lông, vít, vít cấy và đai ốc. Đây là nền tảng để mọi tính toán liên kết trong kết cấu thép có giá trị thực tế. Với nhà xưởng, chất lượng bu lông cần được kiểm soát từ hồ sơ, ngoại quan, thí nghiệm độc lập tới bảo quản và siết lắp, vì một liên kết yếu có thể làm hỏng cả hệ khung. Nếu quý công ty đang quan tâm đến toàn bộ hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn áp dụng cho kết cấu thép và nhà xưởng, hãy tham khảo thêm bài viết Tiêu chuẩn xây dựng.
