Chốt kết cấu mù HSS ( HSS Blind Structural Fasteners)

Bởi Mike Manor, PE, Tư vấn kỹ thuật MLSE
, Viện Ống thép

https://steeltubeinstitute.org/wp-content/uploads/2024/07/HSS_Article_Blind-Structural-Fasteners_062321_r1.pdf

Các kết nối với HSS rất khó thiết kế và cài đặt. Hàn là một lựa chọn phổ biến để gắn vào các thành viên HSS, tuy nhiên, điều này đòi hỏi chi phí đáng kể cho việc lắp đặt hiện trường về đô la và thời gian tiến độ. Bắt vít là một lựa chọn thay thế hấp dẫn để tăng tốc độ lắp đặt tại hiện trường và loại bỏ chi phí nhân công hàn, nhưng việc lắp đặt bu lông có thể khó khăn nếu không dễ dàng tiếp cận mặt sau của kết nối do tính chất khép kín của các thành viên HSS. Đây là lúc các kết nối cơ học từ một bên trở nên hữu ích để tăng tính khả thi của các kết nối được lắp đặt tại hiện trường ngoài hàn. Có nhiều tùy chọn cho kết nối một mặt như bu lông xuyên qua, chốt kết cấu mù, đinh tán ren và khoan dòng chảy. STI có một số thông tin có sẵn trong các bài viết trước đây về những tình huống này có thể được tìm thấy ở đây: liên kết 1, liên kết 2. Bài viết này sẽ chỉ tập trung vào danh mục ốc vít kết cấu mù 1) giải thích các trạng thái giới hạn thiết kế thích hợp cần thiết để thiết kế kết nối đúng cách và 2) liệt kê các tùy chọn độc quyền có sẵn và cách chúng hoạt động.

Chốt kết cấu mù là gì?

Chốt kết cấu “mù”, còn được gọi là ốc vít kết cấu “một mặt”, là ốc vít cơ khí cho phép kết nối các thành phần thép kết cấu với các phần thép kín như ống HSS, nơi khả năng lắp đặt dây buộc chỉ có sẵn ở một bên của kết nối. Lý do điều này quan trọng là bu lông “hai mặt” tiêu chuẩn yêu cầu chèn chuôi của bu lông qua lỗ bu lông từ một bên và sau đó lắp đai ốc ở phía đối diện của phần tử kết nối. Để lắp đặt kết nối bu lông hai mặt này trong các thành viên HSS, người lắp đặt sẽ cần tiếp cận bên trong HSS bằng tay hoặc cờ lê để lắp bu lông qua lỗ hoặc lắp đai ốc. Để siết chặt bu lông tiêu chuẩn, người lắp đặt phải có khả năng giữ đầu bu lông bằng cờ lê trong khi siết chặt bằng cờ lê thứ hai trên đai ốc. Bu lông điều khiển lực căng xoắn có thể giảm bớt vấn đề siết chặt nhưng vẫn yêu cầu tiếp cận từ cả hai bên để lắp bu lông và lắp đai ốc. Điều này có thể thực hiện được đối với kết nối gần cuối thành viên HSS, nhưng đối với hầu hết các vị trí, không thể lắp đặt bu lông tiêu chuẩn trừ khi một phần của tường HSS được tháo ra. Do đó, việc loại bỏ mặt tường HSS có thể ảnh hưởng đến công suất thành viên và vẫn có thể không cung cấp đủ khả năng tiếp cận để lắp đặt bu lông tiêu chuẩn.

Thông qua nhiều phương tiện khác nhau, tất cả các chốt mù đều có cơ chế cho phép bu lông được lắp hoàn toàn vào thành viên HSS chỉ từ phía bên ngoài. Một hệ thống là neo nêm (xem Hình 2) cho phép siết chặt bu lông bên trong bằng cách sử dụng hai cờ lê ở cùng một bên. Một cờ lê giữ cổ áo / vai tại chỗ trong khi cờ lê thứ hai siết chặt đầu bu lông. Khi đầu bu lông siết chặt, một phần tử hình nón ở đầu đối diện của bu lông bắt đầu di chuyển lên các ren trong và đẩy ra ngoài trên thân / vỏ / ống bọc. Sau khi siết chặt hoàn toàn, bu lông đã nở ra đủ xa để ngăn nó quay trở lại khỏi lỗ đồng thời tạo áp lực lên mặt trong của mặt tường HSS và lỗ bu lông.

Loại dây buộc kết cấu mù thứ hai là bu lông có nút chuyển đổi bên trong (xem Hình 3). Bu lông bật tắt được lắp vào lỗ bu lông với một hướng cụ thể để đảm bảo nút chuyển đổi vẫn còn bên trong chuôi bu lông. Khi đai ốc dựa vào mặt của phần tử được kết nối, hãy xoay bu lông 180^o làm cho trọng lực lật nút chuyển đổi bên trong 90^o tạo hình chữ “t” được hiển thị trong Hình 3. Sau đó, bu lông có thể được siết chặt bằng một dụng cụ duy nhất. Khi đai ốc quay, các ren kéo chuôi của bu lông ra ngoài cho đến khi nút chuyển đổi bám vào mặt trong của tường HSS, khóa bu lông bật tắt vào đúng vị trí.

Tùy chọn dây buộc mù thứ ba là bu lông hoạt động bằng cách sử dụng vòng đệm tách độc quyền với bản lề tích hợp (xem Hình 4). Vòng đệm này gấp đôi để vừa với lỗ theo một hướng, sau đó, khi cụm được xoay 180^o, vòng đệm lật và mở rộng vào vị trí, tạo thành một vòng xung quanh chuôi bu lông và cung cấp một ghế chịu lực cho đầu bu lông trên mặt bên trong của tường HSS. Tại thời điểm này, bu lông sau đó có thể được siết chặt bằng một cờ lê duy nhất.

Loại dây buộc mù thứ tư yêu cầu đặt đai ốc của bu lông kết cấu tiêu chuẩn, cường độ cao ở bên trong thành viên HSS hoặc tấm kết nối. Đai ốc thường được gắn vào bộ phận thép như một phần của quá trình chế tạo. Đai ốc có thể được hàn trực tiếp tại chỗ hoặc nó có thể được giữ cố định bằng một sản phẩm độc quyền. Khi hàn đai ốc tại chỗ, hai vấn đề thường phát sinh. Thứ nhất, đai ốc khó được gắn đúng vị trí và thứ hai, đai ốc không thể di chuyển, do đó loại bỏ dung sai lắp đặt trong trường hợp các lỗ bu lông bị lệch nhỏ so với các lớp thép được kết nối. Cách tiếp cận thay thế là sử dụng một sản phẩm độc quyền có tác dụng hỗ trợ lắp dựng, giữ đai ốc tại chỗ trong khi cho phép dung sai trong kết nối và hoạt động như một “cờ lê” bên trong. Điều này có nghĩa là bu lông có thể được siết chặt bằng một cờ lê duy nhất từ một bên của kết nối. Bất kể phương pháp lắp đặt đai ốc là gì, bu lông vẫn là bu lông tiêu chuẩn và kết nối được thiết kế trực tiếp với Đặc điểm kỹ thuật và Hướng dẫn sử dụng AISC. Sau khi bu lông được siết chặt hoàn toàn, mối hàn dính hoặc giá đỡ độc quyền là hy sinh và không truyền bất kỳ tải trọng kết cấu nào qua kết nối. Ngoài ra, cả hai tùy chọn đều cố định đầy đủ đai ốc để căng trước bu lông nếu muốn có kết nối quan trọng trượt.

Các yêu cầu lắp đặt chung áp dụng cho tất cả các loại dây buộc kết cấu mù được đề cập trong bài viết này có liên quan đến hình dạng của kết nối. Nhiều sản phẩm dây buộc mù có nhiều chiều dài có sẵn cho từng kích thước / đường kính danh nghĩa. Mỗi kích thước có sẵn có độ dày kẹp tối thiểu và tối đa được chỉ định, hoặc tay cầm (xem Hình 6 để biết bu lông tiêu chuẩn), tạo ra một phạm vi cho tổng độ dày thép được gắn chặt với nhau. Tổng độ dày thép bao gồm cả độ dày thực tế của thành viên HSS hỗ trợ cộng với độ dày của phần tử thép được hỗ trợ. Khi chọn dây buộc mù tại mỗi vị trí kết nối cụ thể, nhà thiết kế phải tính đến tay cầm, khe hở dây buộc bên trong và bên ngoài, khoảng cách cạnh và yêu cầu về khoảng cách để đảm bảo chọn dây buộc tương thích sẽ cung cấp khả năng kết nối dự kiến. Lưu ý rằng một số sản phẩm dây buộc cũng yêu cầu độ dày tối thiểu của phần tử được kết nối. Đối với các đoạn HSS hình chữ nhật, khoảng cách cạnh (B + C trong Hình 5) phải tính đến cả độ dày của thành bên HSS và bán kính góc bên trong để đảm bảo khe hở của cơ học dây buộc mù ở bên trong ống. Nếu dây buộc được đặt quá gần góc HSS, dây buộc có thể không được đặt đúng vị trí và do đó không phát triển đầy đủ khả năng thiết kế. Ngoài ra, một số sản phẩm chỉ định mô-men xoắn tối thiểu cần thiết để lắp đặt đúng cách.

Trạng thái giới hạn thiết kế

Tất cả các kết nối với HSS phải được thiết kế cho các trạng thái giới hạn áp dụng cho cả dây buộc và thành viên HSS để đảm bảo tính đầy đủ của kết nối. Khi ốc vít kết cấu mù được sử dụng để kết nối với các thành viên HSS, tải trọng kết cấu hiện có có thể bao gồm tải trọng trọng chết và tải trọng sống cũng như tải trọng gió và / hoặc địa chấn. Tất cả các tải trọng này được truyền qua kết nối trong lực cắt, lực căng hoặc kết hợp cả hai.

Đầu tiên nhìn vào ốc vít kết cấu mù, các trạng thái giới hạn thích hợp là cắt và lực căng của dây buộc. Hầu hết các ốc vít được trình bày trong bài viết này đều có khả năng cắt và lực căng được công bố trong tài liệu của nhà sản xuất và báo cáo thử nghiệm của bên thứ ba. Một số ốc vít sử dụng bu lông kết cấu tiêu chuẩn hoặc bu lông độc quyền đáp ứng các thông số kỹ thuật cho ốc vít kết cấu tiêu chuẩn như ASTM A325 hoặc A490. Trong những trường hợp này, công suất dây buộc có thể được tính toán trực tiếp theo Chương J của Đặc điểm kỹ thuật AISC 360-16.

Đối với các trạng thái giới hạn liên quan đến thành viên HSS, có một danh sách cả trạng thái giới hạn quen thuộc đối với lực cắt và một số trạng thái giới hạn không điển hình đối với tải trọng căng thẳng. Bắt đầu với lực cắt, độ bền ổ trục và độ xé tại lỗ bu lông phải được xem xét theo mục AISC J3.10. Trong trường hợp cần kết nối gần cuối thành viên HSS, việc cắt khối cũng phải được xem xét theo mục AISC J4.3. Chuyển sang tải căng, HSS có hai trạng thái giới hạn không điển hình để kiểm tra. Trạng thái giới hạn đầu tiên cần xem xét là khả năng đầu bu lông kéo qua mặt HSS (còn được gọi là cắt đục lỗ). Hướng dẫn thiết kế AISC 24 có hướng dẫn về trạng thái giới hạn này trong Phần 3.2 (xem Công trình 1) cho từng bu lông riêng lẻ. Biến quan trọng là d_w được định nghĩa là “đường kính của bộ phận tiếp xúc với bề mặt bên trong của HSS”. Tùy thuộc vào dây buộc kết cấu mù được sử dụng, đây có thể là đầu của bu lông, kích thước vòng đệm, thân của neo giãn nở hoặc kích thước của nút bật.

Trạng thái giới hạn cuối cùng cho lực căng là Biến dạng là do tính linh hoạt của thành HSS. Trạng thái giới hạn này tương tự như plastification tường hợp âm cho các kết nối HSS-to-HSS ở chỗ nó coi khu vực được xác định bởi nhóm bu lông là nhánh trong kết nối T. Công suất dựa trên lý thuyết đường năng suất bắt đầu với phương trình 9-30 từ AISC 15^th Hướng dẫn sử dụng thép phiên bản (xem Phương trình 2). Đặt giá trị của c bằng chiều rộng nhóm bu lông (w_b) và giá trị L bằng chiều dài nhóm bu lông (l_b), theo sau với các thay thế thích hợp, kết quả là Phương trình 3. Giá trị Q_f xem xét mức độ ứng suất trong thành viên HSS và được xác định bằng Phương trình thông số kỹ thuật AISC K2-3.

Chốt kết cấu mù độc quyền

Dưới đây là danh sách các chốt kết cấu mù độc quyền dành cho mục đích kết nối kết cấu trong các ứng dụng kiểu tòa nhà. Đối với mỗi dây buộc, các tiêu chí được cung cấp để chứng minh các thông số thiết kế mà dây buộc có thể được sử dụng cũng như nơi có thông tin. Các liên kết đến video cài đặt được cung cấp để hỗ trợ hiểu cách thức hoạt động của từng loại cơ cấu dây buộc và cách mỗi cơ chế có thể được lắp đặt vật lý từ một bên của kết nối. Danh sách các chốt này chỉ dành cho mục đích giáo dục để nâng cao nhận thức về các tùy chọn kết nối có sẵn cho các thành viên HSS tại thời điểm bài viết này được viết và không theo thứ tự cụ thể. Thông tin cho mỗi sản phẩm đến trực tiếp từ các tài nguyên có sẵn cho từng dây buộc, bao gồm tài liệu của nhà sản xuất và báo cáo thử nghiệm của bên thứ ba. Các nhà thầu, kỹ sư hoặc các chuyên gia thiết kế khác phải xác minh khả năng áp dụng của từng dây buộc đối với các yêu cầu dự án cụ thể và nhu cầu tải của họ trước khi chỉ định.

Shuriken

Sản phẩm Shuriken là một chất hỗ trợ lắp dựng bằng thép được coi là “cờ lê dùng một lần”. Phần Shuriken được hàn dính bên trong một thành viên HSS để giữ đai ốc tiêu chuẩn, độ bền cao tại chỗ trong quá trình lắp đặt bu lông A325 hoặc A490 tiêu chuẩn. Vì đai ốc được giữ cố định, bu lông có thể được lắp từ một bên của kết nối và siết chặt bằng một cờ lê duy nhất. Sau khi lắp đặt, Shuriken là sự hy sinh vì bu lông truyền tất cả tải trọng kết cấu qua kết nối. Công suất dây buộc kết nối được tính toán giống hệt như đối với bu lông A325 hoặc A490 tiêu chuẩn.

Kết thúc dây buộc: Không có cho Shuriken – Dây buộc giống như bu lông
tiêu chuẩn A325 hoặc A490 Loại kết nối: Vòng bi & trượt quan trọng
Loại tải trọng: Kết hợp tải trọng căng / cắt
: Tải trọng trọng lực, tải trọng gió và tải trọng địa chấn (SDC AF)
Tương tác tải: Phần thông số kỹ thuật AISC J3.7 hoặc J3.9 Báo cáo
ICC-ES: N / A vì Shuriken không truyền tải trọng kết cấu

Nhà sản xuất: Atlas Tube
Cài đặt Video: Xem trang web
Sản phẩm Website: Xem trang web

Để biết thêm thông tin về Shuriken, hãy xem bài viết của HSS Insider “Các khái niệm mới cho mối nối cột HSS bắt vít“.

Hollo-Bu lông^®

Chốt mù Hollo-Bolt cũng có chức năng như một bu lông nêm giãn nở. Hollo-Bolt có đầu bu lông hình lục giác và cổ tròn với hai bề mặt phẳng để cho phép lắp đặt bằng cờ lê tiêu chuẩn. Xem tài liệu của nhà sản xuất và báo cáo ICC để biết danh sách các kích thước danh nghĩa có sẵn cũng như các yêu cầu về kích thước lỗ, khoảng cách cạnh, khoảng cách cuối, khoảng cách, chiều dài dây buộc, tay cầm và khe hở dây buộc. Khả năng căng và cắt cũng chỉ được ghi nhận cho dây buộc.

Kết thúc dây buộc: Mạ kẽm
nhúng nóng Loại kết nối: Loại tải trọng ổ trục
: Kết hợp tải trọng căng / cắt
: Tải trọng trọng lực, tải trọng gió và tải trọng địa chấn (SDC AF)
Tương tác tải:

Báo cáo ICC-ES: ESR-3330
Nhà sản xuất: Lindapter
Video cài đặt: Xem trang web
Sản phẩm Web: Xem trang web

Bu lông mù

Dây buộc Blind Bolt độc quyền là một dây buộc bu lông bật tắt bên trong. Đai ốc mặt bích hình lục giác cho phép siết chặt bằng một cờ lê. Xem tài liệu của nhà sản xuất và báo cáo ICC để biết danh sách các kích thước danh nghĩa có sẵn cũng như các yêu cầu về kích thước lỗ, khoảng cách cạnh, khoảng cách cuối, khoảng cách, chiều dài dây buộc, tay cầm và khe hở của dây buộc. Khả năng căng và cắt cũng chỉ được ghi nhận cho dây buộc.

Kết thúc dây buộc: Thép cacbon với lớp hoàn thiện vảy kẽm hoặc thép không
gỉ Loại kết nối: Loại tải trọng chịu lực
: Kết hợp tải căng / cắt
: Tải trọng trọng lực, tải trọng gió và tải trọng địa chấn (SDC AC)
Tương tác tải:

Báo cáo ICC-ES: ESR-3617
Nhà sản xuất: Video lắp đặt bu lông
mù: Xem trang web
Sản phẩm Web: Xem trang web

Bu lông hộp^®

Chốt mù Boxbolt Type C hoạt động như một bu lông nêm giãn nở. Đầu và vai bu lông hình lục giác cho phép lắp đặt bằng cờ lê tiêu chuẩn. Xem tài liệu của nhà sản xuất và báo cáo ICC để biết danh sách các kích thước danh nghĩa có sẵn cũng như các yêu cầu về kích thước lỗ, khoảng cách cạnh, khoảng cách cuối, khoảng cách, chiều dài dây buộc, tay cầm và khe hở dây buộc. Khả năng căng và cắt cũng chỉ được ghi nhận cho dây buộc.

Kết thúc dây buộc: Mạ kẽm
nhúng nóng Loại kết nối: Vòng bi & trượt quan trọng
Loại tải: Kết hợp tải căng / cắt
: Tải trọng trọng lực, tải trọng gió và tải trọng địa chấn (SDC AF)
Tương tác tải:

Báo cáo ICC-ES: ESR-3217
Nhà sản xuất: Giải pháp
LNA Video cài đặt: Xem trang web
Sản phẩm Web: Xem trang web

NEXGEN2™

Dây buộc NEXGEN2 có vòng đệm tách rời độc quyền và lò xo thép hỗ trợ lắp đặt. Bu lông lõi được làm từ thép tuân thủ ASTM A490. Một công cụ lắp đặt độc quyền đặc biệt chèn cả đầu bu lông và vòng đệm tách qua lỗ bu lông, sau đó xoay vòng đệm tách vào vị trí giữa đầu bu lông và mặt HSS, cho phép siết chặt chỉ từ một bên. Xem tài liệu của nhà sản xuất và báo cáo ICC để biết danh sách các kích thước danh nghĩa có sẵn cũng như các yêu cầu về kích thước lỗ, khoảng cách cạnh, khoảng cách cuối, khoảng cách, chiều dài dây buộc, tay cầm và khe hở dây buộc. Khả năng căng và cắt cũng chỉ được ghi nhận cho dây buộc.

Kết thúc dây buộc: Magni 554 Lớp phủ dây buộc song công Loại
kết nối: Loại tải trọng vòng bi:
Kết hợp tải căng / cắt
: Tải trọng trọng lực, tải trọng gió và tải trọng địa chấn (SDC AC)
Tương tác tải:

Báo cáo ICC-ES: ESR-3975
Nhà sản xuất: Tất cả các chốt Video
cài đặt: Xem trang web
Sản phẩm Trang web: Xem trang web

Chốt một™ bên AJAX

Chốt một bên AJAX tuân thủ bu lông ASTM A325M với vòng đệm tách rời độc quyền hỗ trợ lắp đặt. Một công cụ lắp đặt độc quyền đặc biệt chèn cả đầu bu lông và vòng đệm tách qua lỗ bu lông và sau đó xoay vòng đệm tách vào vị trí giữa đầu bu lông và mặt HSS, chỉ cho phép siết chặt từ một bên. Để tăng cường độ cắt, có một tùy chọn để thêm một ống cắt bao quanh dây buộc trong tất cả các lớp. Bu lông có và không có ống cắt sử dụng cùng một kích thước lỗ bu lông. Xem tài liệu của nhà sản xuất để biết danh sách các kích thước danh nghĩa có sẵn cũng như các yêu cầu về kích thước lỗ, khoảng cách cạnh, khoảng cách cuối, khoảng cách, chiều dài dây buộc, tay cầm và khe hở dây buộc. Khả năng căng và cắt cũng chỉ được ghi nhận cho dây buộc.

Kết thúc dây buộc: Mạ kẽm nhúng nóng, Mạ kẽm cơ khí, Mạ điện, Oxit nhiệt (đen), Magni (Giàu kẽm) Loại
kết nối: Vòng bi & trượt quan trọng
Loại tải: Kết hợp tải trọng căng / cắt
: Tải trọng trọng lực, tải trọng gió và tải trọng địa chấn (SDC AC)
Tương tác tải: Thông số kỹ thuật AISC Phần J3.7 hoặc J3.9 Báo cáo
ICC-ES: Không có
báo cáo thử nghiệm hiện tại của bên thứ ba Nhà sản xuất: Ira Svendsgaard và các cộng sự
Video cài đặt: Xem trang web
Trang web sản phẩm: Xem trang web

Kết luận:

Cung cấp các kết nối bắt vít với HSS trong lịch sử là một nhiệm vụ khó khăn, tuy nhiên, có nhiều lựa chọn có sẵn ngày nay. Phần khó khăn là xác định tùy chọn nào là tốt nhất cho từng kết nối cụ thể. Với danh sách các tùy chọn được đề cập trong bài viết này, các nhà thiết kế có điểm khởi đầu để xác định công suất cho các tùy chọn dây buộc kết cấu mù có sẵn dựa trên loại tải, hình dạng của kết nối và không gian có sẵn. Tuy nhiên, điều quan trọng nhất là hàn không phải là lựa chọn duy nhất để kết nối với các thành viên HSS và với nhiều loại ốc vít mù kết cấu có sẵn trên thị trường, chắc chắn có những lựa chọn thay thế kinh tế để xem xét.

Tham khảo

AISC, 2016. “Đặc điểm kỹ thuật cho các tòa nhà kết cấu thép”, ANSI / AISC 360-16 và Bình luận, Viện Xây dựng Thép Hoa Kỳ, Chicago, IL.

AISC, 2017. “Cẩm nang Xây dựng Thép, Ấn bản thứ mười lăm,” Viện Xây dựng Thép Hoa Kỳ, Chicago, IL.

Ericksen, J. (Tháng Năm, 2014). “Bắt vít cho các thành viên HSS,” Viện Ống thép.

Hansen, K. (Tháng Mười Một, 2014). “Bu lông mở rộng cho các phần thép kết cấu rỗng,” Tạp chí Cấu trúc.

Kurobane, Y., Packer, JA, Wardenier, J., Yeomans, N. 2004. “Hướng dẫn thiết kế kết nối cột phần rỗng kết cấu”, Hướng dẫn thiết kế CIDECT số 9, CIDECT, Đức, ISBN 3-8249-0802-6

McCormick, J. (Tháng Bảy, 2017). “Kết nối các thành viên phần kết cấu rỗng với bu lông xuyên qua,” Viện ống thép.

Olson, K. (Tháng Mười Hai, 2020). “Bắt vít với HSS,” Hội thảo trên web, Viện ống thép.

Packer, J., Sherman, D. và Lecce, M. 2010. “Kết nối phần kết cấu rỗng,” Hướng dẫn thiết kế thép số 24, Viện Xây dựng Thép Hoa Kỳ, Chicago, IL.

2021 Tháng Năm