Болтовые соединения стальных конструкций: обычные, высокопрочные, затяжка и контроль

Типы болтовых соединений и как они передают усилие

Болт работает одним из трёх способов, а иногда двумя сразу. На срез и смятие: листы сдвигаются, пока стенка отверстия не упрётся в стержень. На растяжение: болт нагружен вдоль оси, как во фланце стойки. На трение: листы стянуты так, что сдвиг останавливает сила трения между ними, и стержень на срез почти не работает.

В обычном соединении на срез в отверстии есть зазор, поэтому листы сначала немного смещаются и лишь затем упираются в болт. Для статических нагрузок это обычно приемлемо. Если сдвиг недопустим, нужно соединение с предварительным натяжением.

ДБН В.2.6-198 требует фрикционные соединения в конструкциях, которые непосредственно воспринимают подвижные, вибрационные или динамические нагрузки, и там, где к соединению предъявляют повышенные требования к ограничению деформативности (п. 16.3.1). Предварительное натяжение стандарт на выполнение конструкций называет также средством для сопротивления усталости и сейсмическим воздействиям.

Срез, смятие, растяжение: что проверяет расчёт

ДБН даёт расчётное усилие одного болта отдельно для среза, смятия стенки отверстия и растяжения. Количество болтов в соединении определяют по меньшему из значений на срез и смятие. Если болт одновременно срезается и растягивается, его дополнительно проверяют по общей формуле (п. 16.2.9, 16.2.10, 16.2.13). Сами формулы берут из действующего текста ДБН.

Есть поправки, которые часто пропускают. Через прокладки или с односторонней накладкой количество болтов увеличивают на 10 %. Если коротыш крепят к полке уголка или швеллера, болтов берут на 50 % больше расчёта. Когда длина соединения вдоль усилия превышает 16 диаметров, количество болтов тоже увеличивают, на коэффициент, зависящий от длины (п. 16.2.14, 16.2.10).

Резьба в плоскости среза: сечение по резьбе меньше, чем по гладкому стержню. В структурных конструкциях, опорах ЛЭП, открытых распределительных устройствах и там, где наружный элемент тоньше 8 мм, резьба должна оставаться вне пакета. В остальных случаях она может заходить в отверстие не более чем на половину толщины наружного элемента со стороны гайки или на 5 мм (п. 16.2.5). Болты с разными диаметрами по длине ненарезной части на срез не ставят (п. 16.2.4).

Длину болта подбирают так, чтобы после затяжки конец стержня выступал над гайкой минимум на один шаг резьбы. В соединениях без предварительного натяжения между опорной поверхностью гайки и гладкой частью стержня должен оставаться минимум один полный виток резьбы (ДСТУ EN 1090-2, п. 8.2.2). Минимальный диаметр болта в несущих элементах по этому стандарту М12, если проект не указывает иного.

Фрикционные соединения и предварительное натяжение

Во фрикционном соединении болт затягивают до заданного усилия, и лист держится на листе силой трения. Поэтому здесь важны три вещи, которых нет в обычном соединении: класс и комплектность болтов, способ и величина натяжения, состояние контактных поверхностей. Если одно из трёх не соответствует проекту, несущая способность соединения не подтверждена.

По ДБН В.2.6-198 во фрикционных и фланцевых соединениях с предварительным натяжением берут болты класса не ниже 10.9 (п. 7.8 в редакции Изменения №1). Диаметр болта во фрикционном соединении, как правило, не меньше толщины самого толстого элемента пакета. Расстояние от центра отверстия до края в таком соединении не меньше 1,3d при любой кромке и направлении усилия, а разность диаметров отверстия и болта составляет от 1 до 6 мм в зависимости от условий сборки (п. 16.3.2, 16.3.7).

Расчётное сопротивление болта растяжению во фрикционном соединении составляет 0,7 от наименьшего характеристического сопротивления стали болта (п. 7.8). Усилие, которое воспринимает одна плоскость трения, зависит от натяжения, коэффициента трения и коэффициента надёжности. Его умножают на коэффициент условий работы соединения: 0,8, если болтов меньше пяти, 0,9 при пяти-девяти болтах и 1,0 от десяти (п. 16.3.4).

Если часть усилия в соединении передают и швы, это допускается только при специальном обосновании, и сваривать можно лишь после окончательной затяжки болтов (п. 16.1.13). К болтам во фрикционных соединениях должен быть свободный доступ для динамометрического ключа или гайковёрта (п. 16.3.9). Это проверяют на чертеже узла, а не на монтаже.

Минимальное усилие предварительного натяжения

ДСТУ EN 1090-2:2019 принимает минимальное усилие предварительного натяжения Fp,C равным 0,7·fub·As: 0,7 от номинальной прочности материала болта, умноженные на площадь сечения болта по резьбе. Для всех фрикционных соединений берут именно его, если проект не задаёт меньшего. По смыслу это то же, что в ДБН: 0,7 от прочности на растяжение.

Таблица 18 ДСТУ EN 1090-2:2019. Таблица даёт оба класса, а ДБН В.2.6-198 для фрикционных и фланцевых соединений с предварительным натяжением требует класс не ниже 10.9, поэтому для таких узлов берут колонку 10.9.

Отверстия: виды, зазоры, выполнение

Отверстие под болт бывает нормальным круглым, увеличенным круглым, коротким овальным и длинным овальным. Нормальное оставляет наименьший зазор и даёт наименьший сдвиг. Увеличенные и овальные нужны, чтобы компенсировать допуски монтажа, но их выбирают в проекте осознанно: сдвиг здесь больше, а соединение с такими отверстиями требует пластинчатых шайб.

Номинальный зазор — это разность между диаметром отверстия и номинальным диаметром болта. В таблице приведены значения для болтов М12–М36 по ДСТУ EN 1090-2:2019 (таблица 11).

Для болтов М12 и М14 допускается и зазор 2 мм, если это указано в проекте. Для болтов с покрытием зазор 1 мм можно увеличить на толщину покрытия. В башнях и мачтах номинальный зазор нормальных круглых отверстий уменьшают на 0,5 мм, если не указано иное. Длинные овальные отверстия и болты высокой точности (отверстие равно диаметру стержня) описаны в самом стандарте.

Что ещё сказано об отверстиях

ДБН принимает диаметр отверстия равным диаметру болта для класса точности A, а для классов B и C в конструкциях опор ЛЭП, открытых распределительных устройств и контактных сетей транспорта — диаметру болта плюс 1 мм. В остальных конструкциях это диаметр болта плюс 1, 2 или 3 мм (примечание 2 к таблице 16.3). Пункт 16.2.8 ДБН, отсылавший к ДСТУ Б В.2.6-199 за правилами выполнения отверстий, Изменением №1 исключён; выполнение отверстий описывает ДСТУ EN 1090-2:2019.

Отверстие можно сверлить, пробивать или вырезать термически (лазером или плазмой), если готовое отверстие отвечает требованиям к упрочнению края и качеству поверхности реза, а болт входит в собранный пакет легко, под прямым углом к контактным поверхностям. Пробивку стандарт разрешает, когда толщина детали не превышает 1,4 диаметра отверстия; дальше отверстие сверлят. Термически вырезанные отверстия имеют допуск ±0,5 мм на средний диаметр.

Пробивка без рассверловки или растачивания обычно не подходит для соединений под циклической или сейсмической нагрузкой, для фрикционных и для соединений внахлёстку с болтами классов выше 8.8. Заусенцы из отверстий снимают до сборки. Для соединений с овальными и увеличенными отверстиями пластинчатые шайбы указывают в проекте с размерами и маркой стали, толщиной не менее 4 мм.

Расстояния между болтами и до края

В расчётных соединениях болты ставят на минимальных расстояниях, в конструктивных, которые просто соединяют элементы, как правило, на максимальных (п. 16.2.2). Минимальные значения из таблицы 16.3 ДБН приведены ниже, d здесь — диаметр отверстия.

Максимальные расстояния (от края и между болтами в крайних и средних рядах) тоже приведены в таблице 16.3 ДБН. Ryn — характеристическое сопротивление стали соединяемого проката.

Классы точности болтов, шайбы и стопорение

Класс точности связан с тем, насколько плотно болт садится в отверстие. Болты класса A ставят в отверстия, просверленные на проектный диаметр в собранном пакете или по кондуктору, либо просверленные или продавленные на меньший диаметр с рассверловкой в собранном виде (п. 16.2.3). Болты классов B и C в многоболтовых соединениях ДБН допускает для стали с пределом текучести до 390 Н/мм².

Где нужно ограничить деформации соединения, берут болты класса A. Где болты работают преимущественно на растяжение, как правило, берут болты классов B и C или высокопрочные. Для конструкций антенных сооружений связи ДБН советует монтажные соединения, передающие расчётные усилия, выполнять на болтах класса B и высокопрочных; при знакопеременных усилиях — на высокопрочных болтах или на монтажной сварке. Монтажную сварку или класс A согласовывают с организацией, которая будет монтировать (п. 20.15).

Стандарты на сами болты, гайки и шайбы ДБН после Изменения №1 называет в общем виде («действующие нормативные документы»). Поэтому в проекте пишут конкретный стандарт на каждую деталь комплекта, а не «болт М20».

В соединениях без предварительного натяжения в нормальных круглых отверстиях шайбы не обязательны, если проект их не требует, но в односрезных соединениях с одним рядом болтов шайбу кладут и под головку, и под гайку. На скошенных поверхностях, например на внутренних гранях полок двутавров и швеллеров, нужны косые шайбы: стандарт называет их при наклоне свыше 1/20 для болтов до 20 мм и свыше 1/30 для больших. В комплектах с предварительным натяжением шайбы берут по стандартам на комплекты: под головку болта шайба со скошенной кромкой, фаской к головке; для болтов 8.8 шайбу ставят под ту деталь, которую вращают, для 10.9 — под головку и под гайку, исключения стандарт оговаривает отдельно.

От самоотвинчивания в расчётных соединениях с болтами классов A, B и C, кроме вспомогательных конструкций, ДБН требует предусмотреть меры: пружинные шайбы, дополнительные гайки и другие (п. 16.2.6). Комплекты с предварительным натяжением стандарт запрещает дополнять стопорными устройствами, если проект не указывает иначе. Болты и гайки не приваривают, кроме специальных сварных гаек и приварных шпилек.

Способы затяжки

Контрольный момент Mr определяют для каждой комбинации болта и гайки. Его берут либо по значению k, которое заявляет изготовитель комплекта (для класса K2 момент равен k, умноженному на диаметр болта и усилие натяжения; для K1 коэффициент 0,125), либо по калибровке на месте по приложению Н к стандарту. Значение «по памяти» не подходит: момент зависит от пары болт-гайка, смазки и покрытия.

ДСТУ EN 1090-2:2019 называет четыре способа и допускает каждый, если проект не ограничивает выбор. Затягивают постепенно от самой жёсткой части соединения к наименее жёсткой; чтобы натяжение выровнялось, может понадобиться несколько циклов. Перед натяжением остаточный зазор между стальными деталями должен быть не больше 2 мм. ДБН в таблице 16.5 предусматривает контроль натяжения по моменту закручивания и по углу поворота гайки.

По п. 8.5 и таблице 19 ДСТУ EN 1090-2:2019. Класс K — состояние калибровки комплекта в условиях поставки (EN 14399). Окончательные значения момента и угла в проекте берут из документов изготовителя комплекта и таблиц стандарта.

Разница толщин, прокладки и повторная затяжка

Отдельные элементы пакета не должны отличаться по толщине более чем на 2 мм, а в соединениях с предварительным натяжением более чем на 1 мм. Если разницу снимают стальными прокладками, они должны быть не тоньше 1 мм, и их ставят не более трёх. Прокладки берут из такой стали, чтобы коррозия и прочность были не хуже, чем у соединяемых листов.

Комплект, который затянули до минимального натяжения, а потом ослабили, демонтируют и бракуют целиком. Болты, которыми только подгоняли соединение без натяжения до минимального значения, годятся для окончательной сборки. Комплекты для натяжения берут в состоянии поставки, без замены смазки, если выбран не DTI и калибровку не выполняют по приложению Н.

Контактные поверхности: подготовка и коэффициент трения

Трение зависит от состояния металла под болтами: поверхность после прокатки даёт самый низкий коэффициент, дробеструйная обработка самый высокий. Поэтому в проекте пишут не «очистить», а способ обработки и площадь контактных поверхностей. Ниже два набора значений из двух документов. Они относятся к разным системам: коэффициент трения в расчёте берут из того документа, по которому выполнен расчёт, а способ обработки в КМД записывают в соответствии с ним.

ДБН В.2.6-198, таблица 16.5, контроль натяжения по моменту закручивания. При контроле по углу поворота гайки γh умножают на 0,9. Допускаются другие способы обработки, дающие коэффициент трения не ниже приведённых.

Классы поверхностей трения по ДСТУ EN 1090-2

Стандарт на выполнение конструкций делит поверхности на классы A–D. Способы обработки, которые без испытаний дают минимальный коэффициент трения, сведены в таблицу. Для обработок, которых в ней нет, коэффициент определяют испытанием по приложению G.

ДСТУ EN 1090-2:2019, таблица 17. Без подтверждённого эквивалентного абразивного процесса горячеоцинкованные поверхности очищают по EN 15773.

Что делают с поверхностью перед сборкой

Контактные поверхности очищают от масла, грязи и краски и снимают заусенцы, мешающие плотному прилеганию деталей. Непокрытые поверхности очищают от слоёв ржавчины и рыхлых наслоений, не сглаживая шероховатость. Участки по периметру соединения оставляют необработанными, пока не завершён контроль. Между шайбами и контактными поверхностями не должно быть толстослойных покрытий.

Если контактные поверхности должны быть оцинкованы, скажите об этом до цинкования. Соединения внахлёстку и узкие зазоры требуют вентиляции при цинковании, см. проектирование под горячее цинкование и подготовку к цинкованию; обработку контактных поверхностей после цинкования согласовывают отдельно.

Оцинкованные болты и комплекты

Болты и гайки, которые цинкуют вместе с конструкцией, и комплекты с предварительным натяжением, оцинкованные изготовителем комплекта, относятся к узлу по-разному. Резьба, классы 8.8, 10.9 и 12.9, риск водорода и цинкование по ISO 10684 разобраны в статье Классы прочности крепежа. Здесь только последствия для узла.

Расчётные сопротивления болтов 8.8 и 10.9 в ДБН приведены для болтов без покрытия, поэтому оцинкованный болт в расчёте обосновывают отдельно. Стандарт на выполнение требует, чтобы покрытия крепежа горячим цинкованием отвечали EN ISO 10684, а электролитические EN ISO 4042, и отдельно предупреждает о риске водородной хрупкости комплектов класса 10.9 при гальванизации и горячем цинковании.

Калибровка комплекта (класс K) относится к паре болт-гайка в состоянии поставки. Поэтому комплекты не разбирают, гайки из разных партий не меняют местами, смазку не меняют. Узел с оцинкованными элементами собирают после цинкования, а не наоборот, как описано в статье о проектировании под цинкование.

Контроль затяжки

Все соединения без предварительного натяжения осматривают после затяжки в проектном положении. Если не хватает болтов, после их установки проверяют прилегание элементов. Если причина в разнице толщин пакета сверх допуска, соединение переделывают.

В соединениях с предварительным натяжением контактные поверхности осматривают непосредственно перед сборкой, а пакет после первичной затяжки и до натяжения. Для классов выполнения EXC2–EXC4 проверяют процедуру установки и сертификаты калибровки динамометрических ключей. Класс выполнения определяет проект по приложению У к ДБН: он зависит от класса последствий, категории конструкции и типа нагрузки.

После затяжки болты проверяют выборочно. Для EXC2 это 5 % для второго этапа (момент, комбинированный способ, DTI). Для EXC3 и EXC4 это 5 % для первого и 10 % для второго этапа комбинированного способа и 10 % для второго этапа способа по моменту и DTI. Выборка должна охватывать разные типы соединений, партии, оборудование и операторов; если найден брак, проверяют все болты подгруппы.

По п. 12.5 ДСТУ EN 1090-2:2019. Контрольный момент и пределы угла в таблице стандарта дополняют документы изготовителя комплекта.

Типичные ошибки

• смешанные комплекты: болт с гайкой другой системы или изготовителя, комплект HR с гайкой HV, болт 8.8 с гайкой более низкого класса. Для натяжения берут комплект из одной партии в состоянии поставки, а класс гайки подбирают по болту;
• затяжка «на глаз»: момента, угла или индикатора нет, ключ не поверен. Перетяжка рвёт болт или сминает листы, недотяг оставляет соединение без расчётного трения;
• повторное использование высокопрочных болтов: комплект, который довели до минимального натяжения и ослабили, в работу не возвращают. Болты, которыми только подгоняли соединение, годятся;
• шайбы: не поставлены под гайку или головку, шайба со скосом легла не той стороной, пластинчатые шайбы в увеличенных отверстиях тоньше 4 мм, нет косых шайб на полках двутавров и швеллеров;
• незачищенный шов или заусенец у отверстия: головка или шайба садится криво, пакет не стягивается по всей площади, а во фрикционном соединении теряется площадь контакта. Швы у отверстий и на контактных поверхностях зачищают до сборки, заусенцы из отверстий снимают;
• резьба в плоскости среза: длину болта не сверили с толщиной пакета, и резьба попала в срез;
• пробитые отверстия без растачивания во фрикционном соединении, овальные или увеличенные отверстия без пластинчатых шайб, отверстие, не совпавшее на несколько миллиметров, а болт загоняют силой. Болт должен входить в собранный пакет легко;
• зазор в пакете больше 2 мм перед натяжением или разница толщин листов без прокладок;
• приваренная гайка «чтобы не раскручивалась»: стандарт этого не допускает без указания в проекте.

Что указать в КМД

Производитель видит болтовой узел только так, как он начерчен. ДБН требует, чтобы в рабочей документации (КМ) были указаны класс прочности и точности болтов, способ подготовки контактных поверхностей для фрикционных соединений, величина контролируемого натяжения, а также какие соединения выполняют в заводских и какие в монтажных условиях, при необходимости последовательность установки болтов и способы контроля (п. 5.1.3). Изменение №1 добавляет требование указать класс выполнения EXC (п. 5.1.5, приложение У).

Связанные материалы

Как оформляют спецификации и обозначения на чертежах, разобрано в статье Правила оформления чертежей КМ и КМД. Размеры и массы крепежа смотрите в сортаменте крепежа, анкерные болты — в статье «Анкерные болты для опор и мачт», сварные соединения — в статье о типах сварных соединений, марку стали — в статье о выборе марки стали, проверки на производстве — в статье Контроль качества металлоконструкций.

Мы разрабатываем чертежи КМ и КМД (проектирование) и изготавливаем металлоконструкции по чертежам заказчика (изготовление). В цехе мы проверяем положение и диаметры отверстий и перпендикулярность фланцев. Крепёж для соединений поставляем мы вместе с конструкциями; класс, стандарт комплекта, диаметры и количество берут из ведомости монтажных изделий. Монтаж, в том числе затяжку болтов и контроль натяжения, выполняет партнёрская строительная компания по указаниям из проекта.

Нормативы и действительность

Болтовые соединения проектируют по ДБН В.2.6-198:2014 «Стальные конструкции. Нормы проектирования» с Изменением №1 (утверждено приказом Минрегиона от 30.12.2021 № 365, действует с 01.09.2022; разделы 5, 6, 7, 16 и 20, таблицы 16.3 и 16.5, приложение У). Выполнение конструкций, в том числе отверстия, болтовые комплекты, натяжение и контроль, описывает ДСТУ EN 1090-2:2019 «Выполнение стальных и алюминиевых конструкций. Часть 2. Технические требования к стальным конструкциям» (EN 1090-2:2018, IDT; действует с 01.07.2020, заменил ДСТУ Б EN 1090-2:2014).

ДСТУ Б В.2.6-199:2014 (изготовление), ДСТУ Б В.2.6-200:2014 (монтаж) и ДСТУ-Н Б А.3.1-21:2013 (монтажные соединения на высокопрочных болтах) отменены с 02.02.2026 (приказ ГП «УкрНИУЦ» от 29.01.2026 № 12). Ссылки на них в старых проектах и в первичном тексте ДБН больше не действуют; выполнение и монтаж ориентируют на ДСТУ EN 1090-2:2019.

Комплекты для предварительного натяжения описывает серия EN 14399, комплекты без натяжения — серия EN 15048; на обе ссылается ДСТУ EN 1090-2:2019. Украинские редакции частей этих серий сверяют перед ссылкой в проекте; части ДСТУ EN 14399-1, -3 и -4 названы в статье о классах прочности крепежа. Числа в этой статье приведены для ориентировки, в проекте пользуются действующим текстом ДБН и ДСТУ EN 1090-2:2019.