Момент затягування болтів і зусилля натягу: способи, k-клас, контроль

Зусилля попереднього натягу Fp,C: що це й як його визначають

Болт із контрольованим натягом працює як пружина, що стискає пакет листів. Зусилля, з яким стрижень розтягнуто після затягування, називають зусиллям попереднього натягу. Його потрібно отримати таким, як у проєкті: від цього залежить тертя між листами у фрикційному з’єднанні, поведінка фланця під змінним навантаженням і те, чи розкриється стик.

ДСТУ EN 1090-2:2019 бере номінальне мінімальне зусилля Fp,C = 0,7 · fub · As. Тут fub — номінальна міцність матеріалу болта на розрив, As — площа перерізу болта за різьбою. Це зусилля приймають для всіх фрикційних та інших з’єднань із натягом, якщо проєкт не задав нижчого рівня. Якщо задав, проєкт має назвати комплекти, спосіб затягування, параметри натягу й вимоги до контролю.

Для М20 класу 10.9 маємо 0,7 × 1000 МПа × 245 мм² = 171,5 кН, у таблиці 18 стандарту стоїть 172 кН. Для класу 8.8 це 0,7 × 800 × 245 = 137,2 кН, у таблиці 137 кН. Повну таблицю Fp,C для діаметрів М12–М36 наведено в статті про болтові з’єднання сталевих конструкцій, тут вона не дублюється.

Стандарт називає й причини, з яких натяг взагалі задають: опір зсуву, сейсмостійкі з’єднання, опір втомі та якість виконання, зокрема довговічність.

Чому натяг задають не моментом, а силою

Момент лише непрямо задає силу. Частина його йде на тертя в різьбі й під гайкою (або головкою), і тільки решта розтягує болт. Скільки саме йде на тертя, залежить від мастила, покриття, стану різьби й шайб. Тому спершу фіксують силу Fp,C, а момент підбирають під неї для кожної комбінації болта й гайки.

Момент Mr і коефіцієнт k

Контрольне значення моменту Mr, яке дає зусилля Fp,C, ДСТУ EN 1090-2:2019 визначає для кожного типу комбінації болта й гайки, і є два способи його знайти. Перший: взяти значення, яке заявив виробник комплекту за класом K. Другий: отримати його калібруванням у умовах будмайданчика за додатком H.

Для комплектів класу K2 момент дорівнює Mr,2 = km · d · Fp,C. Тут km — середнє значення коефіцієнта k, яке виробник заявляє для партії, d — номінальний діаметр болта. Для класу K1 стандарт дає готовий коефіцієнт: Mr,1 = 0,125 · d · Fp,C.

Сам коефіцієнт k — безрозмірне відношення моменту до добутку діаметра на зусилля: k = Mr / (d · Fp,C). У ньому зібрано всі втрати на тертя. Що менше тертя в різьбі й під гайкою, то менший k і то менший момент потрібен для того самого натягу.

Якщо діаметр підставляти в мм, а зусилля в кН, момент виходить одразу в Н·м: 1 кН × 1 мм = 1 Н·м.

За п. 8.5.2 і таблицею 19 ДСТУ EN 1090-2:2019. Клас K — стан калібрування комплекту за умов постачання (EN 14399). Для способу за моментом і для HRC коефіцієнт варіації Vk комплекту має бути не більший за 0,06.

Чому k не можна брати з таблиці з інтернету

Значення km — результат випробувань конкретної партії комплектів, тобто болтів, гайок і шайб у тому мастилі й покритті, з якими вони пішли з заводу. Стандарт прямо вимагає застосовувати такі комплекти без зміни мастила, отриманого під час постачання. Змастили болт чи взяли гайку з іншої партії, і k вже інший, а з ним і натяг при тому самому моменті.

Стан калібрування комплекту діє, якщо його встановлюють закручуванням гайки. Коли обертають головку болта, калібрування виконують за додатком H або за результатами додаткового випробування.

Приклад: момент для М20 класу 10.9

Візьмемо комплект М20 класу 10.9 системи HV, клас K2, з заявленим km = 0,13. Це число умовне, для прикладу: у проєкті значення беруть з документів виробника комплекту. Спосіб затягування — за моментом.

Арифметика: 0,13 × 20 × 172 = 447,2 Н·м; 0,75 × 447,2 = 335,4; 1,10 × 447,2 = 491,9; 1,05 × 447,2 = 469,6 (Н·м). Для іншого діаметра, класу чи k розрахунок той самий, змінюються тільки Fp,C, d і k.

Що буде, якщо справжній k інший

Покажемо, чому k важливий. Той самий момент 447 Н·м, закручений на комплекті з іншим коефіцієнтом, дає інше зусилля: F = Mr / (k · d). Значення k у таблиці умовні, їх взято для ілюстрації.

При k = 0,10 зусилля 224 кН перевищує 220 кН, а це умовна межа текучості стрижня М20 класу 10.9 (900 МПа × 245 мм² = 220,5 кН). Оцінка наближена: скручування стрижня тут не враховано. При більшому k болт лишається недотягнутим, і фрикційне з’єднання не має розрахункового тертя.

Той самий болт у комбінованому способі

Якщо комплект класу K1, момент першого етапу береться від Mr,1 = 0,125 × 20 мм × 172 кН = 430 Н·м, тобто 0,75 · Mr,1 = 322,5 Н·м. У таблиці 20 стандарту для М20 класу 10.9 стоїть 322 Н·м.

Другий етап — додатковий поворот гайки на кут за товщиною пакета t, у який входять підкладки й шайби. Нехай t = 60 мм. Для М20 2d = 40 мм, а 6d = 120 мм, тому 2d ≤ t < 6d, і гайку повертають ще на 90°, чверть оберту. Положення гайки на різьбі після першого етапу позначають маркером чи фарбою.

Способи затягування: що саме задає натяг

ДСТУ EN 1090-2:2019 допускає чотири способи, і проєкт може обмежити вибір. Зведену таблицю з класами K, етапами й перевіркою наведено в статті про болтові з’єднання. У кожного способу свої вимоги до комплекту, нижче вони розведені.

• за моментом: натяг задає ключ. Перший етап приблизно 0,75 Mr на всіх болтах з’єднання, другий 1,10 Mr. Коефіцієнт 1,10 відповідає розкиду k з коефіцієнтом варіації 0,06 (1 / (1 − 1,65 × 0,06) ≈ 1,11). Момент прикладають плавно й тримають на сталому рівні. Тому спосіб потребує комплектів K2;
• комбінований: ключ доводить болти до приблизно 0,75 Mr, далі натяг задає кут додаткового повороту гайки, а не момент. Через це розкид k менш важливий, і підходять комплекти K1. Якщо опорна поверхня під головкою чи гайкою не перпендикулярна до осі болта, кут визначають випробуванням, а не за таблицею;
• HRC: болт сам обмежує момент. Безударний електрогайковерт із двома співвісними гніздами крутить гайку, а шліцевий кінець болта тримає, доки шийка не зрізається. Рівень натягу задає геометрія болта й змащення, ключ калібрувати не потрібно. Перший етап завершують не пізніше, ніж зовнішнє гніздо перестане обертатися. Коли для гайковерта немає місця, переходять на момент за K2 або на DTI;
• DTI: індикаторні шайби за EN 14399-9. Перший етап дає рівномірний щільний затиск (на індикаторі з’являється початкова деформація виступів), другий — стискання виступів до значення за цим стандартом. Показання зазорів допустимо усереднювати. З атмосферостійкими й нержавкими сталями індикатори не застосовують.

Порядок однаковий для всіх способів. Затягують поступово, від частини з’єднання з найбільшою жорсткістю до найменш жорсткої, і для рівномірного натягу іноді потрібно більше одного циклу. Перед натягом залишковий зазор між сталевими деталями має бути не більший за 2 мм. Затягують закручуванням гайки, окрім випадків, коли з боку гайки немає доступу.

Момент першого етапу комбінованого способу для комплектів K1, 0,75 · Mr,1 ≈ 0,094 · d · Fp,C (таблиця 20 ДСТУ EN 1090-2:2019). Для комплектів K2 першим етапом беруть 0,75 · km · d · Fp,C за заявленим km.

Ключі й інструмент

Для всіх етапів способу за моментом потрібен динамометричний ключ з точністю ±4 % за EN ISO 6789 (усі частини), з обслуговуванням за цим стандартом. Для пневматичних ключів повірку виконують щоразу, коли змінюється довжина шланга. Перевіряти ключ потрібно і після будь-якого непередбаченого випадку: сильного удару, падіння, перевантаження.

На 447 Н·м з прикладу ±4 % — це ±18 Н·м, тобто в діапазоні від 429 до 465 Н·м. Цей розкид ключа додається до розкиду k, тому ключ без свідоцтва про калібрування в натягнутому з’єднанні не годиться.

Для першого етапу комбінованого способу вимоги м’якші: точність до ±10 % і повірка раз на рік. Ударний гайковерт допустимий лише на першому етапі затягування за моментом. Момент прикладають плавно. Для HRC калібрування гайковерта не потрібне.

Калібрування інших способів встановлення, наприклад осьового натягу гідравлічними пристроями чи натягу з ультразвуковим контролем зусилля, виконують за рекомендаціями виробника обладнання.

Мастило, покриття й цинкування комплекту

Мастило, яке нанесено на комплект при виготовленні, входить у його калібрування. Високоміцні комплекти для натягу використовують без зміни мастила, якщо не вибрано спосіб DTI і не виконується процедура додатка H. Додаток H нагадує, що стан мастила може змінитися, коли комплекти піддають впливу середовища або довго зберігають.

Є один виняток: якщо через непередбачені кліматичні впливи натяг виконують із затримками, мастило можна замінити на інше, перевіривши його придатність.

Покриття метизів стандарт описує так: гарячеоцинковані мають відповідати EN ISO 10684, електролітичні EN ISO 4042. Для комплектів класу 10.9 у примітці до п. 5.6.1 окремо сказано про ризик водневої крихкості під час гальванічного й гарячого цинкування. Що це означає для різьби й класів міцності, розібрано в статті про класи міцності метизів. Для вузла важить інше: калібрування k стосується комплекту в стані постачання, тому його не розбирають і мастило не змінюють.

Додаток I ДСТУ EN 1090-2:2019, таблиця I.1 (довідковий). Перевірку втрати натягу потрібно виконати, якщо покриття на контактних поверхнях товстіше за 100 мкм на кожну поверхню або матеріал проникний. У з’єднаннях категорій B, C і E за EN 1993-1-8 може знадобитися закласти в розрахунок 0,9 Fp,C або встановити натяг і підтягнути болти через кілька днів.

Покриття між шайбою й пакетом

Між шайбами й контактними поверхнями не повинно бути товстошарових покриттів. Якщо їх не уникнути, у проєкті потрібно вказати заходи, які компенсують можливу втрату натягу з часом.

Повторне використання болтів і комплектів

Правило в стандарті коротке. Комплект, який затягнули до мінімального зусилля натягу, а потім ослабили, демонтують, і відбраковують весь комплект: і болт, і гайку, і шайби. Калібрування k стосується стану при постачанні, а після затягування мастило й різьба вже інші.

Болти, якими лише підганяли з’єднання до остаточного складання, до мінімального натягу не доводили, і вони придатні для остаточного затягування із заданим зусиллям. Комплекти, на яких проводили калібрувальні випробування за додатком H, у конструкцію не ставлять і повторно в випробуваннях не використовують.

Під час контролю теж є свої правила. Надмірно затягнений комплект видаляють і відбраковують, а за комбінованого способу комплект, у якого кут перевищено більш ніж на 30° або пошкоджено болт чи гайку, замінюють новим.

Контрольний момент і перевірка затягування

Контроль за моментом перевіряє, чи не лишився болт недотягнутим. Ключ, відрегульований на контрольний момент, прикладають до гайки, і значення, яке потрібне, щоб гайка почала обертатися, має бути не менше 1,05 від Mr,i, де Mr,i дорівнює Mr,2 (за заявленим km) або Mr,test (момент, визначений калібруванням комплекту на майданчику за додатком H). Для прикладу М20 це 470 Н·м.

Перевіряють у проміжку від 12 до 72 годин після того, як затягнуто болти підгрупи. Ключ при цьому має бути відкалібрований і мати точність ±4 %. Гайку не повинно повернути на кут, більший за 15°: тоді болт недотягнутий, і його затягують повторно до повного моменту. Якщо в контролі болт відбраковано, перевіряють і точність ключа, яким натягали болти.

Для комбінованого способу контроль першого етапу виконують тим самим моментом, який давав 75 % натягу, а другого — за позначками на гайках: недобір кута понад 15° виправляють додатковим поворотом, перебір понад 30° веде до заміни комплекту. HRC перевіряють оглядом 100 % комплектів (шліцевий кінець має бути зрізаний), DTI — оглядом усіх індикаторів на повне стискання.

Скільки комплектів перевіряти за класом виконання EXC і як працює послідовний відбір, наведено в статті про болтові з’єднання. Перевірку на надмірне затягування виконують тільки там, де її вказано в проєкті.

Типові помилки

• момент «взяли з таблиці»: чужий момент береться для іншого комплекту, мастила чи покриття. Він дає не той натяг навіть у такого самого болта;
• змащення «щоб легше йшло»: k падає, і при тому самому моменті болт розтягується сильніше, аж до перевищення межі текучості (розрахунок у розділі з прикладом);
• другий етап ударним гайковертом: ударний інструмент допускають лише на першому етапі за моментом;
• один етап замість двох: болти затягнули по одному до повного моменту, і перші ослабли, коли затягували наступні. Спочатку проходять усі болти на 0,75 Mr, потім усі на 1,10 Mr;
• ключ без свідоцтва про калібрування або після падіння; ключ, розрахований на менший момент, ніж 450 Н·м, у якого цей момент на краю шкали;
• гайку на першому етапі комбінованого способу не позначили: кут додаткового повороту тоді не виміряти;
• зазор у пакеті понад 2 мм до початку натягу: болтами не стягнути, спершу виправляють з’єднання;
• мінімальний момент для монтажних болтів з настанов зі встановлення прийняли за момент натягу: це нижня межа для звичайних болтів, а для комплекту з натягом момент розраховують за k. Для М20 класу 10.9 в прикладі вище він близько 450 Н·м, а 15 кгс·м — це лише приблизно 147 Н·м;
• комплект K0 затягували за моментом: для цього способу потрібен K2, у K0 коефіцієнт k не нормується.

Що вказати в КМД

Монтажники не добирають момент за відчуттям: його читають з креслення й документів комплекту. Тому в КМД і в запиті на метизи мають бути такі позиції.

Що з цього лежить на нас

Ми виготовляємо металоконструкції (виготовлення) і розробляємо креслення КМ і КМД (проєктування). Метизи для з’єднань поставляємо ми разом із конструкціями, тому тип комплекту, клас K і спосіб затягування зручно назвати вже в запиті. Правила оформлення відомості метизів дивіться в статті про креслення КМ і КМД, а приклад аркуша — у прикладі аркуша КМД і специфікації.

Монтаж виконує партнерська будівельна компанія, і затягування болтів та контроль натягу лишаються за нею, за проєктом виконання робіт. Тому момент, спосіб і клас K мають бути в проєкті, а не з’ясовуватися на майданчику. Що передати виробникові разом із кресленнями, розібрано в статті пакет документів для виробника.

Нормативи й чинність

Виконання болтових з’єднань із попереднім натягом, зусилля Fp,C, контрольні моменти, способи затягування, калібрування й контроль описує ДСТУ EN 1090-2:2019 «Виконання сталевих та алюмінієвих конструкцій. Частина 2. Технічні вимоги до сталевих конструкцій» (EN 1090-2:2018, IDT). Він чинний з 01.07.2020 (наказ ДП «УкрНДНЦ» від 10.05.2019 № 117). Усі пункти й таблиці в цій статті наведено за цим текстом: п. 5.6, 8.2.4, 8.5, 12.5.2, таблиці 18–21 і 25, додатки H та I.

Комплекти для попереднього натягу описує серія EN 14399, на яку посилається ДСТУ EN 1090-2:2019. В Україні діють ДСТУ EN 14399-1:2019 (загальні вимоги, зокрема k-клас), ДСТУ EN 14399-3:2024 і ДСТУ EN 14399-4:2024 (системи HR і HV, початок дії 01.07.2025). Значення k і коефіцієнт варіації для конкретної партії задає виробник комплекту, і в проєкті користуються документами на партію.

Розрахунок самого з’єднання, зокрема коефіцієнти тертя й надійності, виконують за ДБН В.2.6-198:2014 зі Зміною №1; про це йдеться в статті про болтові з’єднання. Числа цієї статті наведено для орієнтування, в проєкті користуються чинним текстом стандартів і документами виробника комплекту.