Болтовые соединения металлоконструкций: классы, нормы, контроль

Болтовые соединения — основной способ монтажных соединений стальных конструкций. По сравнению со сварными болтовые узлы технологичнее, не требуют квалификации сварщика на стройплощадке, обеспечивают точность сборки, поддаются демонтажу при реконструкции. Эта статья систематизирует классы прочности болтов, требования к расчёту и монтажу, нормы контроля качества по СТБ EN 1993-1-8 и СТБ EN 1090-2.

Классы прочности болтов

Класс прочности болта обозначается двумя числами, разделёнными точкой. Первое число — 1/100 предела прочности (МПа), произведение чисел — 1/10 предела текучести (МПа). Например, класс 8.8: предел прочности 800 МПа, предел текучести 8·8·10 = 640 МПа.

Класс	Предел текучести, МПа	Предел прочности, МПа	Категория
4.6	240	400	Обычной прочности
4.8	320	400	Обычной прочности
5.6	300	500	Обычной прочности
5.8	400	500	Обычной прочности
6.8	480	600	Повышенной прочности
8.8	640	800	Высокопрочные
10.9	900	1000	Высокопрочные

В металлоконструкциях для несущих соединений применяют преимущественно классы 5.6, 8.8 и 10.9. Класс 4.6 допускается в малонагруженных и конструктивных соединениях. Высокопрочные болты 8.8 и 10.9 обязательны для соединений на трении.

Типы болтовых соединений по характеру работы

СТБ EN 1993-1-8 различает пять категорий болтовых соединений по характеру работы и условиям эксплуатации.

Категория	Тип работы	Применение
A	Срез без контролируемого натяжения	Статические нагрузки, обычные соединения
B	Срез с контролируемым натяжением; не допускается проскальзывание в эксплуатационной стадии	Динамические нагрузки, разрешено проскальзывание при предельном состоянии
C	Срез с контролируемым натяжением; не допускается проскальзывание в предельном состоянии	Ответственные конструкции, подкрановые балки
D	Растяжение без контролируемого натяжения	Статически нагруженные конструкции
E	Растяжение с контролируемым натяжением	Динамические нагрузки на растяжение

Категории A и D работают на срез или смятие отверстия — болт срабатывает после преодоления зазора между отверстиями. Категории B, C и E — это соединения на трении с предварительным натяжением болта; усилие передаётся силами трения между контактирующими поверхностями.

Срезные соединения

В срезном соединении болт работает на срез по плоскости контакта соединяемых элементов. Расчётная несущая способность болта на срез по одной плоскости:

F_v,Rd = α_v · f_ub · A / γ_M2,

где α_v — коэффициент (0,5 для классов 4.6, 5.6, 8.8 при срезе по нарезанной части; 0,6 при срезе по ненарезанной части стержня), f_ub — предел прочности болта, A — площадь сечения, γ_M2 — частный коэффициент надёжности (1,25).

Совместно с проверкой среза болта проверяется смятие отверстия в металле соединяемого элемента:

F_b,Rd = k₁ · α_b · f_u · d · t / γ_M2,

где d — диаметр болта, t — толщина смятой пластины, f_u — предел прочности стали пластины, k₁ и α_b — коэффициенты, зависящие от расположения отверстий.

Соединение рассчитывают по меньшему из двух значений — среза болта или смятия отверстия.

Соединения на трении

Соединение на трении (фрикционное) работает за счёт сил трения между контактирующими поверхностями, прижатыми болтом с контролируемым предварительным натяжением. Болт работает на растяжение, контактные поверхности — на сжатие.

Расчётная несущая способность одного болта на трении:

F_s,Rd = k_s · n · μ · F_p,C / γ_M3,

где k_s — коэффициент формы отверстия, n — число плоскостей трения, μ — коэффициент трения, F_p,C — расчётное усилие натяжения болта, γ_M3 — частный коэффициент (1,25 для категории C, 1,1 для категории B).

Коэффициент трения зависит от обработки контактных поверхностей:

класс A (μ = 0,5) — пескоструйная или дробеструйная обработка до Sa2½ без покрытия;
класс B (μ = 0,4) — пескоструйная обработка с алкидно-цинковым грунтом 50–80 мкм;
класс C (μ = 0,3) — очистка ручным или механизированным способом;
класс D (μ = 0,2) — необработанная поверхность.

Усилие натяжения F_p,C для высокопрочных болтов составляет 0,7·f_ub·A. Для типового болта M20 класса 10.9 это около 172 кН.

Растянутые соединения

В растянутых соединениях болт работает на осевое растяжение. Расчётная несущая способность одного болта:

F_t,Rd = k₂ · f_ub · A_s / γ_M2,

где k₂ = 0,9 для обычных и высокопрочных болтов, A_s — площадь сечения по нарезанной части (примерно 80 % от номинального сечения).

В соединениях с торцевыми пластинами (фланцевые узлы) дополнительно проверяется эффект «рычага» — увеличение усилия в болте за счёт деформации торцевой пластины при изгибе. Для жёстких пластин эффект мал, для тонких может удваивать расчётное усилие в болте.

В растянутых соединениях обязательно учитывают одновременное действие среза и растяжения по совместному условию:

F_v,Ed / F_v,Rd + F_t,Ed / (1,4 · F_t,Rd) ≤ 1,0.

Размещение болтов и отверстий

Расположение болтов в соединении подчиняется требованиям СТБ EN 1993-1-8. Минимальные и максимальные расстояния установлены для предотвращения разрыва металла, выкалывания и обеспечения технологичности затяжки.

Расстояние	Минимум	Максимум
От центра отверстия до края в направлении усилия (e₁)	1,2·d₀	4·t + 40 мм или 200 мм
От центра отверстия до края перпендикулярно (e₂)	1,2·d₀	4·t + 40 мм или 200 мм
Между центрами отверстий в направлении усилия (p₁)	2,2·d₀	min(14·t; 200 мм)
Между центрами отверстий перпендикулярно (p₂)	2,4·d₀	min(14·t; 200 мм)

Где d₀ — диаметр отверстия, t — толщина наиболее тонкого соединяемого элемента. Диаметр отверстия d₀ = d + (1–3) мм в зависимости от диаметра болта: +1 для d ≤ 14 мм, +2 для 16–24 мм, +3 для d ≥ 27 мм.

Подготовка контактных поверхностей

Для соединений на трении подготовка контактных поверхностей обязательна и определяет несущую способность узла. Технология подготовки регламентирована СТБ EN 1090-2:

удаление окалины, ржавчины, масла и других загрязнений;
пескоструйная или дробеструйная очистка до степени Sa2½ по СТБ EN ISO 8501-1;
возможное нанесение допущенного для соединений на трении грунтовочного покрытия с заданным значением коэффициента трения;
защита подготовленных поверхностей от загрязнения до сборки;
контроль состояния поверхностей перед сборкой — не позднее чем за 8 часов до затяжки болтов.

Контактные поверхности категорически нельзя обрабатывать стандартными антикоррозионными грунтами на основе алкидов без проверки на коэффициент трения — обычные грунты значительно снижают μ. Применяются только грунты с подтверждённым испытанием для конкретного типа покрытия.

Затяжка болтов

Для соединений категорий B, C, E обязательна контролируемая затяжка с предварительным натяжением. Применяются следующие методы:

метод заданного крутящего момента — затяжка динамометрическим ключом до проектного значения момента (для болта M20 класса 10.9 — около 500–600 Н·м);
метод вращения гайки — после плотной затяжки гайка доворачивается на фиксированный угол (типично 90° для болтов длиной до 4d, 120° для длинных);
метод HRC-болтов — болт со срывной шейкой; после достижения проектного усилия шейка обламывается, что служит индикатором правильности затяжки;
метод DTI (Direct Tension Indicator) — шайба-индикатор натяжения с выступами, которые сминаются при достижении проектного усилия.

Метод заданного момента наиболее распространён, но требует калибровки инструмента и учёта смазки резьбы. Метод вращения гайки независим от смазки, но требует чёткой фиксации начального положения. Срывные болты дают самоконтроль, но дороже в применении.

Контроль качества

Контроль болтовых соединений регламентирован СТБ EN 1090-2 в зависимости от класса исполнения:

EXC1 — визуальный контроль, выборочная проверка момента затяжки;
EXC2 — визуальный контроль 100 %, инструментальный контроль 5–10 % болтов на соединение;
EXC3 — визуальный 100 %, инструментальный 10–20 %, протоколирование;
EXC4 — инструментальный контроль 100 % болтов в ответственных соединениях, полная документация.

Документация на болтовое соединение включает: сертификаты на болты, протокол подготовки контактных поверхностей, протокол затяжки с указанием инструмента и достигнутых усилий, акт скрытых работ.

Типовые ошибки

Применение болтов класса 4.6 в моментных и подкрановых узлах вместо высокопрочных — недостаточная несущая способность.
Окраска контактных поверхностей перед сборкой соединения на трении — коэффициент трения падает в 2–3 раза, узел работает не по проекту.
Затяжка болтов без контроля момента в соединениях на трении — несоответствие проектному натяжению.
Применение шайб неподходящей толщины — недостаточное прижатие, проседание под болтом.
Несоблюдение порядка затяжки в многоболтовых соединениях — крестовая или симметричная схема обязательна; затяжка по кругу или по порядку создаёт перекосы.
Установка болтов в отверстия с превышенным зазором или с эллиптической формой без проектного обоснования.
Повторное использование высокопрочных болтов после демонтажа — наклёп и пластические деформации не позволяют гарантировать проектное натяжение.
Использование болтов и гаек разных партий или производителей без проверки совместимости резьбы.
Игнорирование требований к маркировке высокопрочных болтов — невозможно подтвердить класс прочности при приёмке.

Часто задаваемые вопросы

Когда применять высокопрочные болты вместо обычных? В соединениях на трении (категории B, C, E), в моментных узлах, в подкрановых конструкциях, при динамических нагрузках, в ответственных узлах класса исполнения EXC3 и выше. В большинстве остальных случаев допустимы болты обычной прочности.

Можно ли смешивать болты разных классов в одном соединении? Не рекомендуется. Болты разных классов имеют разные деформативные характеристики, неравномерное распределение усилий приводит к перегрузке болтов более высокого класса. Если технически необходимо — расчёт ведётся по болту низшего класса.

Как маркируются высокопрочные болты? На головке болта класса 8.8 наносится «8.8», класса 10.9 — «10.9». Дополнительно может указываться производитель и партия. Болты без маркировки в ответственные соединения не допускаются.

Что такое момент затяжки и как его контролировать? Момент затяжки — крутящий момент, прилагаемый ключом для достижения проектного усилия натяжения болта. Значение задаётся проектом и зависит от диаметра, класса болта, типа смазки резьбы. Контроль — динамометрическим ключом с действующим свидетельством поверки.

Сколько времени можно хранить высокопрочные болты до установки? При нормальных условиях хранения (отсутствие влаги, контейнер с маслом) — до 12 месяцев. После более длительного хранения требуется проверка состояния и при необходимости — повторная защита резьбы.

Нужны ли шайбы под болт и гайку? Для болтов обычной прочности — обычно одна шайба под гайку. Для высокопрочных — две шайбы (под головку и под гайку), увеличенной твёрдости класса HV. Толщина шайбы — 4–8 мм в зависимости от диаметра болта.

Сокращения и обозначения

ТНПА — технические нормативные правовые акты;
СТБ — стандарт Беларуси;
EN — европейский стандарт (Euronorm);
EXC — Execution Class (класс исполнения);
HRC — High Resistance Calibrated (срывные болты);
DTI — Direct Tension Indicator;
d — диаметр болта;
d₀ — диаметр отверстия;
A — площадь сечения болта;
A_s — площадь сечения по резьбе;
f_ub — предел прочности болта;
f_u — предел прочности стали соединяемого элемента;
μ — коэффициент трения;
F_p,C — расчётное усилие натяжения болта;
γ_M2, γ_M3 — частные коэффициенты надёжности.

Материал подготовлен по действующим на дату публикации редакциям ТНПА. Применение рекомендаций должно учитывать актуальность нормативной базы и конкретные условия объекта.