Болтовые соединения в металлоконструкциях: от класса прочности до практического расчёта

[locolizator]

Болтовые соединения - это, пожалуй, самый распространённый тип монтажных соединений в металлоконструкциях. Сварка - это на заводе, а на стройплощадке царствуют болты. И не просто так: болтовое соединение можно собрать в любую погоду, оно не требует квалификации сварщика, его можно контролировать визуально, и при необходимости - разобрать.

Но есть и обратная сторона: болтов много, они разные, и ошибка в их подборе может стоить очень дорого. Давайте разбираться по порядку.

---

1. Классы прочности болтов - что означают цифры?

На каждом приличном болте выбиты цифры через точку - например, 5.6, 8.8 или 10.9. Это не артикул и не партия. Это класс прочности, и он работает так:

Первая цифра, умноженная на 100 - это временное сопротивление (σв, МПа).
Вторая цифра, делённая на 10 и умноженная на первую - это отношение предела текучести к временному сопротивлению.

Разберём на примере болта 8.8:

• 8 × 100 = 800 МПа - временное сопротивление
• 8 × (8/10) = 640 МПа - предел текучести

Или 5.6:

• 5 × 100 = 500 МПа
• 5 × (6/10) = 300 МПа

Лайфхак: Если видите болт с маркировкой 10.9 - перед вами высокопрочный болт. Предел текучести - 940 МПа. Это уже серьёзно.

Какие классы бывают? (по таблице Г.5 СП 16.13330.2017)

Класс	R_bun (норм. сопр.), МПа	Предел текучести, МПа	Применение
5.6	500	300	Лёгкие конструкции, вспомогательные
5.8	500	400	Общего назначения
8.8	830	664	Основные несущие соединения
10.9	1040	940	Ответственные узлы, фрикционные соед.
12.9	1220	1098	Специальные, редко

Важно: для ответственных несущих конструкций болты класса 5.6 - уже прошлый век. Минимум 8.8, а в высоконагруженных узлах - только 10.9.

---

2. Болты класса точности А, В и высокопрочные - в чём разница?

СП 16.13330.2017 делит болты на три категории:

Класс точности А

• Отверстие сверлится на проектный диаметр в собранных элементах или по кондуктору
• Диаметр отверстия = диаметру болта (d = d_b)
• Самая высокая точность, минимальный зазор
• Требует высокой культуры производства

Класс точности В

• Отверстие с зазором: d = d_b + (1…3 мм)
• Для конструкций из стали с пределом текучести до 375 Н/мм²
• Стандартный выбор для большинства строительных металлоконструкций

Высокопрочные болты

• Класс прочности не ниже 10.9
• Используются во фрикционных соединениях (с контролируемым натяжением)
• Передают усилие через силы трения между соединяемыми элементами

Золотое правило из практики: в многоболтовых соединениях, где болты работают преимущественно на растяжение, применяйте болты класса точности В или высокопрочные. А вот где болт работает на срез - там класс А даёт преимущество в расчётном сопротивлении смятию.

---

3. Расчёт болтового соединения - главные формулы

СП 16.13330.2017 даёт три типа расчёта одного болта в зависимости от того, как он работает.

На срез (сдвиг)

$$
N_{bs} = R_{bs} \cdot A_b \cdot n \cdot \gamma_b \cdot \gamma_c
$$

где:

• R_bs - расчётное сопротивление срезу (таблица Г.5)
• A_b - площадь сечения стержня брутто (таблица Г.9)
• n - число расчётных срезов
• γ_b - коэффициент условий работы болтового соединения (таблица 41)
• γ_c - коэффициент условий работы (таблица 1)

На смятие

$$
N_{bp} = R_{bp} \cdot d_b \cdot \Sigma t \cdot \gamma_c
$$

где:

• R_bp - расчётное сопротивление смятию (таблица Г.6)
• d_b - наружный диаметр болта
• Σt - наименьшая суммарная толщина сминаемых элементов

На растяжение

$$
N_{bt} = R_{bt} \cdot A_{bn} \cdot \gamma_c
$$

где:

• R_bt - расчётное сопротивление растяжению
• A_bn - площадь сечения по резьбе (нетто)

Комбинированная проверка (срез + растяжение)

Если на болт действуют одновременно срезывающее и растягивающее усилия:

$$
\left(\frac{N_s}{N_{bs}}\right)^2 + \left(\frac{N_t}{N_{bt}}\right)^2 \le 1
$$

---

4. Размещение болтов - таблица 40

Есть жёсткие требования к тому, где можно и где нельзя ставить болты. Ключевые цифры из таблицы 40 СП 16.13330.2017:

Параметр	Минимум
Расстояние между центрами болтов (любое направление)	2,5d (при R_yn ≤ 375)
Расстояние от края элемента до центра отверстия вдоль усилия	2d (при R_yn ≤ 375)
Расстояние от края элемента до центра поперёк усилия (обрезная кромка)	1,5d
То же, прокатная кромка	1,3d

d - это диаметр отверстия.

Совет: В стыках и узлах болты ставьте на минимальных расстояниях - так компактнее и эффективнее. А вот соединительные конструктивные болты - на максимальных, чтобы не перерасходовать металл.

Интересный нюанс из п. 14.2.10: если расстояние между крайними болтами вдоль усилия превышает 16d, несущая способность снижается - вводится понижающий коэффициент:

$$
\beta = 1 - 0,005 \cdot \left(\frac{l}{d} - 16\right), \text{ но не менее } 0,75
$$

---

5. Практический пример

Давайте посчитаем болтовое соединение на реальном примере.

Условие:

• Стык двух элементов из стали С345 (R_un = 490 МПа)
• Болты М20 класса 8.8, класс точности В
• Работают на срез, число срезов n = 2
• γ_c = 1,0, γ_b = 0,9

Шаг 1 - площадь сечения болта:
По таблице Г.9 для М20:

• A_b = 3,14 см² = 314 мм²
• A_bn = 2,45 см² (по резьбе)

Шаг 2 - расчётное сопротивление срезу:
По таблице Г.5 для 8.8: R_bs = 332 МПа

Шаг 3 - несущая способность на один срез:

$$
N_{bs} = 332 \times 314 \times 2 \times 0,9 \times 1,0 = 187,646 \text{ Н} \approx 188 \text{ кН}
$$

Шаг 4 - проверка на смятие:
По таблице Г.6 для R_un = 490 МПа, болт класса В: R_bp ≈ 605 МПа

При толщине листа 10 мм и двух 8 мм (Σt = 8 мм):

$$
N_{bp} = 605 \times 20 \times 8 \times 1,0 = 96,800 \text{ Н} \approx 97 \text{ кН}
$$

Видите? Смятие оказалось критичнее, чем срез (97 кН < 188 кН). Значит, именно 97 кН берём как лимитирующее значение.

---

6. Высокопрочные болты - когда они нужны?

Высокопрочные болты (класс 10.9 и выше) - это отдельная история. Они работают по принципу фрикционного соединения (раздел 14.3 СП):

• Болт затягивается с контролируемым натяжением
• Сила натяжения создаёт трение между соединяемыми элементами
• Усилие передаётся через трение, а не через срез болта

Это критически важно для:

• Мостовых конструкций (динамические нагрузки)
• Крановых путей
• Конструкций, работающих на знакопеременные нагрузки (усталость)
• Соединений, где недопустимы сдвиги и деформации

Расчётное сопротивление растяжению высокопрочного болта:

$$
R_{bh} = 0,7 \times R_{bun}
$$

Для М20 из стали 40Х (приложение Г.8): R_bun = 1078 МПа, значит R_bh = 755 МПа.

Площадь по резьбе для М20 - 2,45 см². Считаем:

$$
N_{bt} = 755 \times 245 = 185,000 \text{ Н} \approx 185 \text{ кН}
$$

Один болт М20 может «прижать» детали с усилием 18,5 тонн. А учитывая, что коэффициент трения после обработки поверхностей составляет 0,35-0,58 (таблица 42), несущая способность по сдвигу будет ещё выше.

---

7. Типичные ошибки в болтовых соединениях

Ошибка 1: Резьба попадает в плоскость среза

СП 16.13330.2017 (п. 14.2.5) чётко говорит: в большинстве случаев резьба не должна входить вглубь отверстия более чем на половину толщины крайнего элемента. Резьба в срезе резко снижает несущую способность.

Ошибка 2: Забыли про шайбы

На скошенных поверхностях (внутренние грани двутавров и швеллеров) - только косые шайбы. Иначе болт работает «на изгиб», а не на срез, со всеми последствиями.

Ошибка 3: Неправильный класс гайки

Гайка должна соответствовать болту. Для болта 8.8 - гайка класса 8 (на срез). Если чаще - гайка 5. А если гайку слабее - болт выдержит, а резьба сорвётся.

Ошибка 4: Самоотвинчивание

В расчётных соединениях (п. 14.2.6) - обязательны меры против самоотвинчивания: пружинные шайбы, вторые гайки, частичное предварительное натяжение.

---

Заключение

Болтовые соединения - это не просто «просверлил дырку и закрутил». Это инженерная задача, где важно всё: класс прочности болта, класс точности, правильное размещение, учёт смятия и среза, и особенно - совместная работа срез + растяжение.

Что запомнить в первую очередь:

1. Для ответственных узлов - только 8.8 или 10.9
2. Смятие часто оказывается «слабым звеном» - проверяйте его первым
3. Высокопрочные болты - там, где важна жёсткость и работа на усталость
4. Таблица 40 - ваш лучший друг при расстановке болтов
5. Резьба не должна попадать в срез - это снижает прочность до 40%

---

Источники: СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции», ГОСТ 7798-70 «Болты с шестигранной головкой», ГОСТ 27772-2021 «Прокат для строительных стальных конструкций»