Болтові з’єднання сталевих конструкцій: звичайні, високоміцні, затягування й контроль

Типи болтових з’єднань і як вони передають зусилля

Болт працює одним із трьох способів, а інколи двома одразу. На зріз і зминання: листи зсуваються, поки стінка отвору не обіпреться на стрижень. На розтяг: болт навантажено вздовж осі, як у фланці стійки. На тертя: листи стиснуто так, що зсув зупиняє сила тертя між ними, і стрижень на зріз майже не працює.

У звичайному з’єднанні на зріз є зазор в отворі, тому листи спершу трохи зміщуються й лише потім упираються в болт. Для статичних навантажень це зазвичай прийнятно. Якщо зсув неприпустимий, потрібне з’єднання з попереднім натягом.

ДБН В.2.6-198 вимагає фрикційні з’єднання в конструкціях, які безпосередньо сприймають рухомі, вібраційні чи динамічні навантаження, і там, де до з’єднання висувають підвищені вимоги щодо обмеження деформативності (п. 16.3.1). Попередній натяг стандарт на виконання конструкцій називає також засобом для опору втомі й сейсмічним впливам.

Зріз, зминання, розтяг: що перевіряє розрахунок

ДБН дає розрахункове зусилля одного болта окремо для зрізу, зминання стінки отвору й розтягу. Кількість болтів у з’єднанні визначають за меншим зі значень на зріз і зминання. Якщо болт одночасно зрізається й розтягується, його додатково перевіряють за спільною формулою (п. 16.2.9, 16.2.10, 16.2.13). Самі формули беруть із чинного тексту ДБН.

Є поправки, які часто пропускають. Через прокладки або з односторонньою накладкою кількість болтів збільшують на 10 %. Якщо коротиш кріплять до полиці кутика чи швелера, болтів беруть на 50 % більше за розрахунок. Коли довжина з’єднання вздовж зусилля перевищує 16 діаметрів, кількість болтів теж збільшують, на коефіцієнт, який залежить від довжини (п. 16.2.14, 16.2.10).

Різьба в площині зрізу: переріз по різьбі менший, ніж по гладкому стрижню. У структурних конструкціях, опорах ЛЕП, відкритих розподільних пристроях і там, де зовнішній елемент тонший за 8 мм, різьба має лишатися поза пакетом. В інших випадках вона може заходити в отвір не більш ніж на половину товщини зовнішнього елемента з боку гайки або на 5 мм (п. 16.2.5). Болти з різними діаметрами по довжині ненарізної частини на зріз не ставлять (п. 16.2.4).

Довжину болта підбирають так, щоб після затягування кінець стрижня виступав над гайкою щонайменше на один крок різьби. У з’єднаннях без попереднього натягу між опорною поверхнею гайки й гладкою частиною стрижня має лишатися щонайменше один повний виток різьби (ДСТУ EN 1090-2, п. 8.2.2). Мінімальний діаметр болта в несучих елементах за цим стандартом — М12, якщо проєкт не вказує іншого.

Фрикційні з’єднання й попередній натяг

У фрикційному з’єднанні болт затягують до заданого зусилля, і лист тримається на листі силою тертя. Тому тут важать три речі, яких немає у звичайному з’єднанні: клас і комплектність болтів, спосіб і величина натягу, стан контактних поверхонь. Якщо одне з трьох не відповідає проєкту, несучу здатність з’єднання не підтверджено.

За ДБН В.2.6-198 у фрикційних і фланцевих з’єднаннях з попереднім натягом беруть болти класу не нижче 10.9 (п. 7.8 у редакції Зміни №1). Діаметр болта у фрикційному з’єднанні зазвичай не менший за товщину найтовстішого елемента пакета. Відстань від центра отвору до краю в такому з’єднанні не менша за 1,3d за будь-якої кромки й напрямку зусилля, а різниця діаметрів отвору й болта становить від 1 до 6 мм залежно від умов складання (п. 16.3.2, 16.3.7).

Розрахунковий опір болта на розтяг у фрикційному з’єднанні — 0,7 від найменшого характеристичного опору сталі болта (п. 7.8). Зусилля, яке сприймає одна площина тертя, залежить від натягу, коефіцієнта тертя й коефіцієнта надійності. Його множать на коефіцієнт умов роботи з’єднання: 0,8, якщо болтів менше п’яти, 0,9 при п’яти-дев’яти болтах і 1,0 від десяти (п. 16.3.4).

Якщо частину зусилля у з’єднанні передають і шви, це допускається лише за спеціального обґрунтування, і зварювати можна тільки після остаточного затягування болтів (п. 16.1.13). До болтів у фрикційних з’єднаннях має бути вільний доступ для динамометричного ключа чи гайковерта (п. 16.3.9). Це перевіряють на кресленні вузла, а не на монтажі.

Мінімальне зусилля попереднього натягу

ДСТУ EN 1090-2:2019 бере мінімальне зусилля попереднього натягу Fp,C рівним 0,7·fub·As: 0,7 від номінальної міцності матеріалу болта, помножені на площу перерізу болта за різьбою. Для всіх фрикційних з’єднань беруть саме його, якщо проєкт не задає нижчого. За змістом це те саме, що ДБН: 0,7 від міцності на розтяг.

Таблиця 18 ДСТУ EN 1090-2:2019. Таблиця дає обидва класи, а ДБН В.2.6-198 для фрикційних і фланцевих з’єднань з попереднім натягом вимагає клас не нижче 10.9, тому для таких вузлів беруть колонку 10.9.

Отвори: види, зазори, виконання

Отвір під болт буває нормальним круглим, збільшеним круглим, коротким овальним і довгим овальним. Нормальний лишає найменший зазор і дає найменший зсув. Збільшені й овальні потрібні, щоб компенсувати допуски монтажу, але їх обирають у проєкті свідомо: зсув тут більший, а з’єднання з такими отворами вимагає пластинчастих шайб.

Номінальний зазор — це різниця між діаметром отвору й номінальним діаметром болта. У таблиці наведено значення для болтів М12–М36 за ДСТУ EN 1090-2:2019 (таблиця 11).

Для болтів М12 і М14 допускається й зазор 2 мм, якщо це вказано в проєкті. Для покритих метизів зазор 1 мм можна збільшити на товщину покриття. У баштах і щоглах номінальний зазор нормальних круглих отворів зменшують на 0,5 мм, якщо не вказано іншого. Довгі овальні отвори й болти високої точності (отвір дорівнює діаметру стрижня) описані в самому стандарті.

Що ще сказано про отвори

ДБН бере діаметр отвору рівним діаметру болта для класу точності A, а для класів B і C у конструкціях опор ЛЕП, відкритих розподільних пристроїв і контактних мереж транспорту — діаметром болта плюс 1 мм. В інших конструкціях це діаметр болта плюс 1, 2 або 3 мм (примітка 2 до таблиці 16.3). Пункт 16.2.8 ДБН, що відсилав до ДСТУ Б В.2.6-199 за правилами виконання отворів, Зміною №1 вилучено; виконання отворів описує ДСТУ EN 1090-2:2019.

Отвір можна свердлити, пробивати або вирізати термічно (лазером чи плазмою), якщо готовий отвір відповідає вимогам до зміцнення краю й якості поверхні різу, а болт входить у складений пакет легко, під прямим кутом до контактних поверхонь. Пробивання стандарт допускає, коли товщина деталі не перевищує 1,4 діаметра отвору; далі отвір свердлять. Термічно вирізані отвори мають допуск ±0,5 мм на середній діаметр.

Пробивання без розточування або розсвердлювання зазвичай не підходить для з’єднань під циклічним чи сейсмічним навантаженням, для фрикційних і для з’єднань внапуск з болтами класів вище 8.8. Задирки з отворів знімають до складання. Для з’єднань з овальними й збільшеними отворами пластинчаті шайби вказують у проєкті з розмірами й маркою сталі, завтовшки не менше 4 мм.

Відстані між болтами й до краю

У розрахункових з’єднаннях болти ставлять на мінімальних відстанях, у конструктивних, які просто з’єднують елементи, зазвичай на максимальних (п. 16.2.2). Мінімальні значення з таблиці 16.3 ДБН наведено нижче, d тут — діаметр отвору.

Максимальні відстані (від краю й між болтами в крайніх і середніх рядах) теж наведено в таблиці 16.3 ДБН. Ryn — характеристичний опір сталі прокату, що з’єднується.

Класи точності болтів, шайби й стопоріння

Клас точності пов’язаний з тим, як щільно болт сідає в отвір. Болти класу A ставлять в отвори, просвердлені на проєктний діаметр у складеному пакеті чи за кондуктором, або просвердлені чи продавлені на менший діаметр з розсвердлюванням у складеному вигляді (п. 16.2.3). Болти класів B і C у багатоболтових з’єднаннях ДБН допускає для сталі з межею текучості до 390 Н/мм².

Де потрібно обмежити деформації з’єднання, беруть болти класу A. Де болти працюють переважно на розтяг, беруть болти класів B і C або високоміцні. Для конструкцій антенних споруд зв’язку ДБН радить монтажні з’єднання, що передають розрахункові зусилля, виконувати на болтах класу B і високоміцних; при знакозмінних зусиллях — на високоміцних болтах або на монтажному зварюванні. Монтажне зварювання або клас A погоджують з організацією, яка монтуватиме (п. 20.15).

Стандарти на самі болти, гайки й шайби ДБН після Зміни №1 називає загально («діючі нормативні документи»). Тому в проєкті пишуть конкретний стандарт на кожну деталь комплекту, а не «болт М20».

У з’єднаннях без попереднього натягу в нормальних круглих отворах шайби не обов’язкові, якщо проєкт їх не вимагає, але в однозрізних з’єднаннях з одним рядом болтів шайбу кладуть і під головку, і під гайку. На скошених поверхнях, як-от внутрішні грані полиць двотаврів і швелерів, потрібні косі шайби: стандарт називає їх при нахилі понад 1/20 для болтів до 20 мм і понад 1/30 для більших. У комплектах з попереднім натягом шайби беруть за стандартами на комплекти: під головку болта шайба зі скошеною кромкою, фаскою до головки; для болтів 8.8 шайбу ставлять під ту деталь, яку обертають, для 10.9 — під головку й під гайку, винятки стандарт оговорює окремо.

Від самовідгвинчування в розрахункових з’єднаннях з болтами класів A, B і C, крім допоміжних конструкцій, ДБН вимагає передбачити заходи: пружинні шайби, додаткові гайки та інші (п. 16.2.6). Комплекти з попереднім натягом стандарт забороняє доповнювати стопорними пристроями, якщо проєкт не вказує інакше. Болти й гайки не приварюють, окрім спеціальних зварних гайок і приварних шпильок.

Способи затягування

Контрольний момент Mr визначають для кожної комбінації болта й гайки. Його беруть або за значенням k, яке заявляє виробник комплекту (для класу K2 момент дорівнює k, помноженому на діаметр болта й зусилля натягу; для K1 коефіцієнт 0,125), або за калібруванням на місці за додатком Н до стандарту. Значення «з пам’яті» не підходить: момент залежить від пари болт-гайка, мастила й покриття.

ДСТУ EN 1090-2:2019 називає чотири способи й допускає кожен, якщо проєкт не обмежує вибір. Затягують поступово від найжорсткішої частини з’єднання до найменш жорсткої; щоб натяг вирівнявся, може знадобитися кілька циклів. Перед натягом залишковий зазор між сталевими деталями має бути не більший за 2 мм. У таблиці 16.5 ДБН натяг контролюють за моментом закручування або за кутом повороту гайки.

За п. 8.5 і таблицею 19 ДСТУ EN 1090-2:2019. Клас K — стан калібрування комплекту за умов постачання (EN 14399). Остаточні значення моменту й кута в проєкті беруть з документів виробника комплекту й таблиць стандарту.

Різниця товщин, підкладки й повторне затягування

Окремі елементи пакета не повинні відрізнятися за товщиною більш ніж на 2 мм, а у з’єднаннях з попереднім натягом більш ніж на 1 мм. Якщо різницю знімають сталевими підкладками, вони мають бути не тонші за 1 мм, і їх ставлять не більше трьох. Підкладки беруть із такої сталі, що її корозія й міцність не гірші, ніж у з’єднуваних листів.

Комплект, який затягнули до мінімального натягу, а потім ослабили, демонтують і відбраковують цілком. Болти, якими лише підганяли з’єднання без натягу до мінімального значення, придатні для остаточного складання. Комплекти для натягу беруть у стані постачання, без заміни мастила, якщо вибрано не DTI і калібрування не виконують за додатком Н.

Контактні поверхні: підготовка й коефіцієнт тертя

Тертя залежить від стану металу під болтами: поверхня після прокатки дає найнижчий коефіцієнт, дробоструйна обробка найвищий. Тому в проєкті пишуть не «очистити», а спосіб обробки й площу контактних поверхонь. Нижче два набори значень з двох документів. Вони належать до різних систем: коефіцієнт тертя в розрахунку беруть з того документа, за яким виконано розрахунок, а спосіб обробки в КМД записують відповідно до нього.

ДБН В.2.6-198, таблиця 16.5, контроль натягу за моментом закручування. При контролі за кутом повороту гайки γh множать на 0,9. Допускаються інші способи обробки, що дають коефіцієнт тертя не нижче наведених.

Класи поверхонь тертя за ДСТУ EN 1090-2

Стандарт на виконання конструкцій ділить поверхні на класи A–D. Способи обробки, які без випробувань дають мінімальний коефіцієнт тертя, зведено в таблиці. Для обробок, яких у ній немає, коефіцієнт визначають випробуванням за додатком G.

ДСТУ EN 1090-2:2019, таблиця 17. Без підтвердженого еквівалентного абразивного процесу гарячеоцинковані поверхні очищають за EN 15773.

Що роблять із поверхнею перед складанням

Контактні поверхні очищають від мастила, бруду й фарби й знімають задирки, які заважають щільному приляганню деталей. Непокриті поверхні очищають від шарів іржі й сипучих нашарувань, не згладжуючи шорсткість. Ділянки по периметру з’єднання лишають необробленими, доки не завершено контроль. Між шайбами й контактними поверхнями не повинно бути товстошарових покриттів.

Якщо контактні поверхні мають бути оцинкованими, скажіть про це до цинкування. З’єднання внапуск і вузькі зазори потребують вентиляції під час цинкування, див. проєктування під гаряче цинкування і підготовку до цинкування; обробку контактних поверхонь після цинкування погоджують окремо.

Оцинковані болти й комплекти

Болти й гайки, які цинкують разом із конструкцією, і комплекти з попереднім натягом, оцинковані виробником комплекту, ставляться до вузла по-різному. Різьбу, класи 8.8, 10.9 і 12.9, ризик водню й цинкування за ISO 10684 розібрано в статті Класи міцності метизів. Тут лише наслідки для вузла.

Розрахункові опори болтів 8.8 і 10.9 у ДБН наведено для болтів без покриття, тому оцинкований болт у розрахунку обґрунтовують окремо. Стандарт на виконання вимагає, щоб покриття метизів гарячим цинкуванням відповідали EN ISO 10684, а електролітичні EN ISO 4042, і окремо попереджає про ризик водневої крихкості комплектів класу 10.9 під час гальванізації й гарячого цинкування.

Калібрування комплекту (клас K) стосується пари болт-гайка в стані постачання. Тому комплекти не розбирають, гайки з різних партій не міняють місцями, мастило не змінюють. Вузол з оцинкованими елементами збирають після цинкування, а не навпаки, як описано в статті про проєктування під цинкування.

Контроль затягування

Усі з’єднання без попереднього натягу оглядають після затягування в проєктному положенні. Якщо не вистачає болтів, після їх встановлення перевіряють прилягання елементів. Якщо причина в різниці товщин пакета понад допуск, з’єднання переробляють.

У з’єднаннях з попереднім натягом контактні поверхні оглядають безпосередньо перед складанням, а пакет після первинного затягування й до натягу. Для класів виконання EXC2–EXC4 перевіряють процедуру встановлення й сертифікати калібрування динамометричних ключів. Клас виконання визначає проєкт за додатком У до ДБН: він залежить від класу наслідків, категорії конструкції й типу навантаження.

Після затягування болти перевіряють вибірково. Для EXC2 це 5 % для другого етапу (момент, комбінований спосіб, DTI). Для EXC3 і EXC4 це 5 % для першого й 10 % для другого етапу комбінованого способу та 10 % для другого етапу способу за моментом і DTI. Вибірка має охопити різні типи з’єднань, партії, обладнання й операторів; якщо знайдено брак, перевіряють усі болти підгрупи.

За п. 12.5 ДСТУ EN 1090-2:2019. Контрольний момент і межі кута в таблиці стандарту доповнюють документи виробника комплекту.

Типові помилки

• змішані комплекти: болт з гайкою іншої системи чи виробника, комплект HR з гайкою HV, болт 8.8 з гайкою нижчого класу. Для натягу беруть комплект із однієї партії в стані постачання, а клас гайки добирають за болтом;
• затягування «на око»: моменту, кута чи індикатора немає, ключ не повірено. Перетяжка рве болт чи зминає листи, недотяг лишає з’єднання без розрахункового тертя;
• повторне використання високоміцних болтів: комплект, який довели до мінімального натягу й ослабили, у роботу не повертають. Болти, якими лише підганяли з’єднання, годяться;
• шайби: не поставлено під гайку чи головку, шайба зі скосом лягла не тим боком, пластинчаті шайби у збільшених отворах тонші за 4 мм, немає косих шайб на полицях двотаврів і швелерів;
• нешліфований шов чи задирка біля отвору: головка або шайба сідає криво, пакет не стискається по всій площі, а у фрикційному з’єднанні втрачається площа контакту. Шви біля отворів і на контактних поверхнях зачищають до складання, задирки з отворів знімають;
• різьба в площині зрізу: довжину болта не звірено з товщиною пакета, і різьба потрапила в зріз;
• пробиті отвори без розточування у фрикційному з’єднанні, овальні чи збільшені отвори без пластинчастих шайб, отвір, що не збігся на кілька міліметрів, а болт заганяють силою. Болт має входити в складений пакет легко;
• зазор у пакеті понад 2 мм перед натягом чи різниця товщин листів без підкладок;
• приварена гайка «щоб не розкручувалась»: стандарт цього не допускає без вказівки в проєкті.

Що вказати в КМД

Виробник бачить болтовий вузол лише так, як його накреслено. ДБН вимагає, щоб у робочій документації (КМ) було вказано клас міцності й точності болтів, спосіб підготовки контактних поверхонь для фрикційних з’єднань, величину контрольованого натягу, а також які з’єднання виконують у заводських і які в монтажних умовах, за потреби послідовність встановлення болтів і способи контролю (п. 5.1.3). Зміна №1 додає вимогу вказати клас виконання EXC (п. 5.1.5, додаток У).

Пов’язані матеріали

Як оформлюють специфікації й позначення на кресленнях, розібрано в статті Правила оформлення креслень КМ і КМД. Розміри й маси метизів дивіться в сортаменті метизів, анкерні болти — у статті «Анкерні болти для опор і щогл», зварні з’єднання — у статті про типи зварних з’єднань, марку сталі — у статті про вибір марки сталі, перевірки на виробництві — у статті Контроль якості металоконструкцій.

Ми розробляємо креслення КМ і КМД (проєктування) і виготовляємо металоконструкції за кресленнями замовника (виготовлення). У цеху ми перевіряємо положення й діаметри отворів і перпендикулярність фланців. Метизи для з’єднань поставляємо ми разом із конструкціями; клас, стандарт комплекту, діаметри й кількість беруть із відомості монтажних виробів. Монтаж, зокрема затягування болтів і контроль натягу, виконує партнерська будівельна компанія за вказівками з проєкту.

Нормативи й чинність

Болтові з’єднання проєктують за ДБН В.2.6-198:2014 «Сталеві конструкції. Норми проектування» зі Зміною №1 (затверджена наказом Мінрегіону від 30.12.2021 № 365, чинна з 01.09.2022; розділи 5, 6, 7, 16 і 20, таблиці 16.3 і 16.5, додаток У). Виконання конструкцій, зокрема отвори, болтові комплекти, натяг і контроль, описує ДСТУ EN 1090-2:2019 «Виконання сталевих та алюмінієвих конструкцій. Частина 2. Технічні вимоги до сталевих конструкцій» (EN 1090-2:2018, IDT; діє від 01.07.2020, замінив ДСТУ Б EN 1090-2:2014).

ДСТУ Б В.2.6-199:2014 (виготовлення), ДСТУ Б В.2.6-200:2014 (монтаж) і ДСТУ-Н Б А.3.1-21:2013 (монтажні з’єднання на високоміцних болтах) скасовано з 02.02.2026 (наказ ДП «УкрНДНЦ» від 29.01.2026 № 12). Посилання на них у старих проєктах і в первинному тексті ДБН більше не діють; виконання й монтаж орієнтують на ДСТУ EN 1090-2:2019.

Комплекти для попереднього натягу описує серія EN 14399, комплекти без натягу — серія EN 15048; на обидві посилається ДСТУ EN 1090-2:2019. Українські редакції частин цих серій звіряють перед посиланням у проєкті; частини ДСТУ EN 14399-1, -3 і -4 названо в статті про класи міцності метизів. Числа в цій статті наведено для орієнтування, у проєкті користуються чинним текстом ДБН і ДСТУ EN 1090-2:2019.