Момент затяжки болтов и усилие натяжения: способы, k-класс, контроль

Усилие предварительного натяжения Fp,C: что это и как его определяют

Болт с контролируемым натяжением работает как пружина, сжимающая пакет листов. Усилие, с которым стержень растянут после затяжки, называют усилием предварительного натяжения. Его нужно получить таким, как в проекте: от этого зависит трение между листами во фрикционном соединении, поведение фланца под переменной нагрузкой и то, раскроется ли стык.

ДСТУ EN 1090-2:2019 принимает номинальное минимальное усилие Fp,C = 0,7 · fub · As. Здесь fub — номинальная прочность материала болта на разрыв, As — площадь сечения болта по резьбе. Это усилие принимают для всех фрикционных и других соединений с натяжением, если проект не задал более низкого уровня. Если задал, проект должен назвать комплекты, способ затяжки, параметры натяжения и требования к контролю.

Для М20 класса 10.9 получаем 0,7 × 1000 МПа × 245 мм² = 171,5 кН, в таблице 18 стандарта стоит 172 кН. Для класса 8.8 это 0,7 × 800 × 245 = 137,2 кН, в таблице 137 кН. Полная таблица Fp,C для диаметров М12–М36 приведена в статье о болтовых соединениях стальных конструкций, здесь она не дублируется.

Стандарт называет и причины, ради которых натяжение вообще задают: сопротивление сдвигу, сейсмостойкие соединения, сопротивление усталости и качество исполнения, в частности долговечность.

Почему натяжение задают не моментом, а силой

Момент лишь косвенно задаёт силу. Часть его уходит на трение в резьбе и под гайкой (или головкой), и только остальное растягивает болт. Сколько именно уходит на трение, зависит от смазки, покрытия, состояния резьбы и шайб. Поэтому сначала фиксируют силу Fp,C, а момент подбирают под неё для каждой комбинации болта и гайки.

Момент Mr и коэффициент k

Контрольное значение момента Mr, дающее усилие Fp,C, ДСТУ EN 1090-2:2019 определяет для каждого типа комбинации болта и гайки, и есть два способа его найти. Первый: взять значение, которое заявил изготовитель комплекта по классу K. Второй: получить его калибровкой в условиях стройплощадки по приложению H.

Для комплектов класса K2 момент равен Mr,2 = km · d · Fp,C. Здесь km — среднее значение коэффициента k, которое изготовитель заявляет для партии, d — номинальный диаметр болта. Для класса K1 стандарт даёт готовый коэффициент: Mr,1 = 0,125 · d · Fp,C.

Сам коэффициент k — безразмерное отношение момента к произведению диаметра на усилие: k = Mr / (d · Fp,C). В нём собраны все потери на трение. Чем меньше трения в резьбе и под гайкой, тем меньше k и тем меньше момент, нужный для того же натяжения.

Если диаметр подставлять в мм, а усилие в кН, момент получается сразу в Н·м: 1 кН × 1 мм = 1 Н·м.

По п. 8.5.2 и таблице 19 ДСТУ EN 1090-2:2019. Класс K — состояние калибровки комплекта в условиях поставки (EN 14399). Для способа по моменту и для HRC коэффициент вариации Vk комплекта должен быть не больше 0,06.

Почему k нельзя брать из таблицы из интернета

Значение km — результат испытаний конкретной партии комплектов, то есть болтов, гаек и шайб в той смазке и покрытии, с которыми они ушли с завода. Стандарт прямо требует применять такие комплекты без смены смазки, полученной при поставке. Смазали болт или взяли гайку из другой партии, и k уже другой, а с ним и натяжение при том же моменте.

Состояние калибровки комплекта действует, если его устанавливают закручиванием гайки. Когда вращают головку болта, калибровку выполняют по приложению H или по результатам дополнительного испытания.

Пример: момент для М20 класса 10.9

Возьмём комплект М20 класса 10.9 системы HV, класс K2, с заявленным km = 0,13. Это число условное, для примера: в проекте значение берут из документов изготовителя комплекта. Способ затяжки — по моменту.

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 другого диаметра, класса или k расчёт тот же, меняются только Fp,C, d и k.

Что будет, если настоящий k другой

Покажем, почему k важен. Тот же момент 447 Н·м, закрученный на комплекте с другим коэффициентом, даёт другое усилие: F = Mr / (k · d). Значения k в таблице условные, взяты для иллюстрации.

При k = 0,10 усилие 224 кН превышает 220 кН, а это условный предел текучести стержня М20 класса 10.9 (900 МПа × 245 мм² = 220,5 кН). Оценка приближённая: скручивание стержня здесь не учтено. При большем k болт остаётся недотянутым, и фрикционное соединение не имеет расчётного трения.

Тот же болт в комбинированном способе

Если комплект класса K1, момент первого этапа берут от Mr,1 = 0,125 × 20 мм × 172 кН = 430 Н·м, то есть 0,75 · Mr,1 = 322,5 Н·м. В таблице 20 стандарта для М20 класса 10.9 стоит 322 Н·м.

Второй этап — дополнительный поворот гайки на угол по толщине пакета t, в который входят прокладки и шайбы. Пусть t = 60 мм. Для М20 2d = 40 мм, а 6d = 120 мм, поэтому 2d ≤ t < 6d, и гайку поворачивают ещё на 90°, четверть оборота. Положение гайки на резьбе после первого этапа отмечают маркером или краской.

Способы затяжки: что именно задаёт натяжение

ДСТУ EN 1090-2:2019 допускает четыре способа, и проект может ограничить выбор. Сводная таблица с классами K, этапами и проверкой приведена в статье о болтовых соединениях. Здесь о том, что происходит в каждом способе и почему у них разные требования к комплекту.

• по моменту: натяжение задаёт ключ. Первый этап примерно 0,75 Mr на всех болтах соединения, второй 1,10 Mr. Коэффициент 1,10 отвечает разбросу k с коэффициентом вариации 0,06 (1 / (1 − 1,65 × 0,06) ≈ 1,11). Момент прикладывают плавно и держат на постоянном уровне. Поэтому способ требует комплектов K2;
• комбинированный: ключ доводит болты до примерно 0,75 Mr, дальше натяжение задаёт угол дополнительного поворота гайки, а не момент. Из-за этого разброс k менее важен, и подходят комплекты K1. Если опорная поверхность под головкой или гайкой не перпендикулярна оси болта, угол определяют испытанием, а не по таблице;
• HRC: болт сам ограничивает момент. Безударный электрогайковёрт с двумя соосными гнёздами вращает гайку, а шлицевой конец болта держит, пока шейка не срежется. Уровень натяжения задаёт геометрия болта и смазка, калибровать ключ не нужно. Первый этап завершают не позднее, чем наружное гнездо перестанет вращаться. Когда для гайковёрта нет места, переходят на момент по K2 или на DTI;
• DTI: индикаторные шайбы по EN 14399-9. Первый этап даёт равномерный плотный зажим (на индикаторе появляется начальная деформация выступов), второй — сжатие выступов до значения по этому стандарту. Показания зазоров допустимо усреднять. С атмосферостойкими и нержавеющими сталями индикаторы не применяют.

Порядок одинаков для всех способов. Затягивают постепенно, от части соединения с наибольшей жёсткостью к наименее жёсткой, и для равномерного натяжения иногда нужно больше одного цикла. Перед натяжением остаточный зазор между стальными деталями должен быть не больше 2 мм. Затягивают закручиванием гайки, кроме случаев, когда доступа со стороны гайки нет.

Момент первого этапа комбинированного способа для комплектов K1, 0,75 · Mr,1 ≈ 0,094 · d · Fp,C (таблица 20 ДСТУ EN 1090-2:2019). Для комплектов K2 первым этапом берут 0,75 · km · d · Fp,C по заявленному km.

Ключи и инструмент

Для всех этапов способа по моменту нужен динамометрический ключ с точностью ±4 % по EN ISO 6789 (все части), с обслуживанием по этому стандарту. Для пневматических ключей поверку выполняют каждый раз, когда меняется длина шланга. Проверять ключ нужно и после любого непредвиденного случая: сильного удара, падения, перегрузки.

На 447 Н·м из примера ±4 % — это ±18 Н·м, то есть диапазон от 429 до 465 Н·м. Этот разброс ключа добавляется к разбросу k, поэтому ключ без свидетельства о калибровке в натянутом соединении не годится.

Для первого этапа комбинированного способа требования мягче: точность до ±10 % и поверка раз в год. Ударный гайковёрт допустим только на первом этапе затяжки по моменту. Момент прикладывают плавно. Для HRC калибровка гайковёрта не нужна.

Калибровку других способов установки, например осевого натяжения гидравлическими устройствами или натяжения с ультразвуковым контролем усилия, выполняют по рекомендациям изготовителя оборудования.

Смазка, покрытия и цинкование комплекта

Смазка, нанесённая на комплект при изготовлении, входит в его калибровку. Высокопрочные комплекты для натяжения используют без смены смазки, если не выбран способ DTI и не выполняется процедура приложения H. Приложение H напоминает, что состояние смазки может измениться, когда комплекты подвергают воздействию среды или долго хранят.

Есть одно исключение: если из-за непредвиденных климатических воздействий натяжение выполняют с задержками, смазку можно заменить другой, проверив её пригодность.

Покрытия крепежа стандарт описывает так: горячеоцинкованные должны отвечать EN ISO 10684, электролитические EN ISO 4042. Для комплектов класса 10.9 в примечании к п. 5.6.1 отдельно сказано о риске водородной хрупкости при гальваническом и горячем цинковании. Что это означает для резьбы и классов прочности, разобрано в статье о классах прочности крепежа. Для узла важно другое: калибровка k относится к комплекту в состоянии поставки, поэтому его не разбирают и смазку не меняют.

Приложение I ДСТУ EN 1090-2:2019, таблица I.1 (справочное). Проверку потери натяжения нужно выполнить, если покрытие на контактных поверхностях толще 100 мкм на каждую поверхность или материал проницаем. В соединениях категорий B, C и E по EN 1993-1-8 может понадобиться заложить в расчёт 0,9 Fp,C или установить натяжение и подтянуть болты через несколько дней.

Покрытие между шайбой и пакетом

Между шайбами и контактными поверхностями не должно быть толстослойных покрытий. Если их не избежать, в проекте нужно указать меры, компенсирующие возможную потерю натяжения со временем.

Повторное использование болтов и комплектов

Правило в стандарте короткое. Комплект, который затянули до минимального усилия натяжения, а потом ослабили, демонтируют, и бракуют весь комплект: и болт, и гайку, и шайбы. Причина понятна: калибровка k относится к состоянию при поставке, а после затяжки смазка и резьба уже другие.

Болты, которыми только подгоняли соединение до окончательной сборки, до минимального натяжения не доводили, и они годятся для окончательной затяжки с заданным усилием. Комплекты, на которых проводили калибровочные испытания по приложению H, в конструкцию не ставят и повторно в испытаниях не используют.

При контроле тоже есть свои правила. Чрезмерно затянутый комплект удаляют и бракуют, а при комбинированном способе комплект, у которого угол превышен более чем на 30° или повреждён болт либо гайка, заменяют новым.

Контрольный момент и проверка затяжки

Контроль по моменту проверяет, не остался ли болт недотянутым. Ключ, отрегулированный на контрольный момент, прикладывают к гайке, и значение, нужное, чтобы гайка начала вращаться, должно быть не меньше 1,05 от Mr,i, где Mr,i равен Mr,2 (по заявленному km) или Mr,test (момент, определённый калибровкой комплекта на площадке по приложению H). Для примера М20 это 470 Н·м.

Проверяют в промежутке от 12 до 72 часов после того, как затянуты болты подгруппы. Ключ при этом должен пройти калибровку и иметь точность ±4 %. Гайку не должно повернуть на угол больше 15°: тогда болт недотянут, и его затягивают повторно до полного момента. Если при контроле болт забракован, проверяют и точность ключа, которым натягивали болты.

Для комбинированного способа контроль первого этапа выполняют тем же моментом, который давал 75 % натяжения, а второго — по отметкам на гайках: недобор угла свыше 15° исправляют дополнительным поворотом, перебор свыше 30° ведёт к замене комплекта. HRC проверяют осмотром 100 % комплектов (шлицевой конец должен быть срезан), DTI — осмотром всех индикаторов на полное сжатие.

Сколько комплектов проверять по классу исполнения EXC и как работает последовательный отбор, приведено в статье о болтовых соединениях. Проверку на чрезмерную затяжку выполняют только там, где она указана в проекте.

Типичные ошибки

• момент «взяли из таблицы»: чужой момент берётся для другого комплекта, смазки или покрытия. Он даёт не то натяжение даже у такого же болта;
• смазывание «чтобы легче шло»: k падает, и при том же моменте болт растягивается сильнее, вплоть до превышения предела текучести (см. расчёт выше);
• второй этап ударным гайковёртом: ударный инструмент допускают только на первом этапе по моменту;
• один этап вместо двух: болты затянули по одному до полного момента, и первые ослабли, когда затягивали следующие. Сначала проходят все болты на 0,75 Mr, потом все на 1,10 Mr;
• ключ без свидетельства о калибровке или после падения, ключ на 100 Н·м, которым крутят 450 Н·м на краю шкалы;
• гайку на первом этапе комбинированного способа не отметили: угол дополнительного поворота тогда не измерить;
• зазор в пакете свыше 2 мм до начала натяжения: болтами не стянуть, сначала исправляют соединение;
• минимальный момент для монтажных болтов из указаний по установке приняли за момент натяжения: это нижняя граница для обычных болтов, а для комплекта с натяжением момент рассчитывают по k. Для М20 класса 10.9 в примере выше он около 450 Н·м, а 15 кгс·м — это лишь примерно 147 Н·м;
• комплект K0 затягивали по моменту: для этого способа нужен K2, у K0 коэффициент k не нормируется.

Что указать в КМД

Монтажники не подбирают момент на ощупь: его читают с чертежа и документов комплекта. Поэтому в КМД и в запросе на крепёж должны быть такие позиции.

Что из этого лежит на нас

Мы изготавливаем металлоконструкции (изготовление) и разрабатываем чертежи КМ и КМД (проектирование). Крепёж для соединений поставляем мы вместе с конструкциями, поэтому тип комплекта, класс K и способ затяжки удобно назвать уже в запросе. Правила оформления ведомости крепежа смотрите в статье о чертежах КМ и КМД, а пример листа — в примере листа КМД и спецификации.

Монтаж выполняет партнёрская строительная компания, и затяжка болтов и контроль натяжения остаются за ней, по проекту производства работ. Поэтому момент, способ и класс K должны быть в проекте, а не выясняться на площадке. Что передать изготовителю вместе с чертежами, разобрано в статье пакет документов для изготовителя.

Нормативы и действительность

Выполнение болтовых соединений с предварительным натяжением, усилие Fp,C, контрольные моменты, способы затяжки, калибровку 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). Он действует с 01.07.2020 (приказ ГП «УкрНДНЦ» от 10.05.2019 № 117). Все пункты и таблицы в этой статье приведены по этому тексту: п. 5.6, 8.2.4, 8.5, 12.5.2, таблицы 18–21 и 25, приложения H и I.

Комплекты для предварительного натяжения описывает серия EN 14399, на которую ссылается ДСТУ EN 1090-2:2019. В Украине действуют ДСТУ EN 14399-1:2019 (общие требования, в частности k-класс), ДСТУ EN 14399-3:2024 и ДСТУ EN 14399-4:2024 (системы HR и HV, начало действия 01.07.2025). Значения k и коэффициент вариации для конкретной партии задаёт изготовитель комплекта, и в проекте пользуются документами на партию.

Расчёт самого соединения, в частности коэффициенты трения и надёжности, выполняют по ДБН В.2.6-198:2014 с Изменением №1; об этом говорится в статье о болтовых соединениях. Числа этой статьи приведены для ориентировки, в проекте пользуются действующим текстом стандартов и документами изготовителя комплекта.