Połączenia w konstrukcjach stalowych: śruby sprężane a spoiny w świetle Eurokodu 3

W połączeniu stalowym nie wybiera się między śrubą a spoiną na podstawie zasady „co będzie mocniejsze”. Śruby sprężane i spoiny przenoszą obciążenia w inny sposób, stawiają inne wymagania wykonawcze i inaczej zachowują się przy obciążeniach zmiennych, montażu oraz późniejszym serwisie konstrukcji. Błąd popełniony na etapie wyboru technologii potrafi wrócić na budowie w postaci problemów z montażem, poślizgiem, odkształceniami spawalniczymi albo kontrolą jakości.

Podstawowym dokumentem projektowym jest Eurokod 3, część dotycząca projektowania węzłów – PN-EN 1993-1-8. Trzeba przy tym uwzględnić zmianę generacji norm: w Polsce została opublikowana PN-EN 1993-1-8:2025-11, zastępująca wcześniejsze wydanie z 2006 r. W praktyce projektowej okres przejściowy wymaga szczególnej uwagi, ponieważ starsze wydanie pozostaje jeszcze wskazane przez PKN w określonym zakresie oceny zgodności do 31 marca 2028 r. Nie wolno więc bezrefleksyjnie skopiować obliczeń ze starego projektu i założyć, że zastosowano ten sam zestaw reguł oraz załączników krajowych.

Projekt połączenia to zresztą tylko połowa zadania. Wykonanie konstrukcji stalowych podlega wymaganiom PN-EN 1090-2+A1:2024-10, a dla zestawów śrubowych przeznaczonych do sprężania istotna jest seria EN 14399. Jeżeli projektant wpisuje na rysunku po prostu „śruby 10.9”, bez określenia charakteru połączenia, systemu zestawu, sposobu sprężania oraz wymagań dotyczących powierzchni styku, zostawia wykonawcy zbyt wiele niewiadomych.

Śruba sprężana nie działa tak jak zwykła śruba 10.9

Najczęstsze nieporozumienie zaczyna się od utożsamiania śruby wysokiej wytrzymałości z połączeniem sprężanym. Sama klasa właściwości mechanicznych tego nie zapewnia.

W połączeniu sprężanym śruba jest kontrolowanie napinana. Dla klasycznego podejścia Eurokodu wartością charakterystyczną sprężenia jest:

Fp,C = 0,7 × fub × As

gdzie fub oznacza nominalną wytrzymałość śruby na rozciąganie, a As – pole przekroju czynnego części gwintowanej.

Przykład dobrze pokazuje skalę sił. Dla śruby M20 klasy 10.9, przy polu przekroju czynnym As wynoszącym około 245 mm² i fub równym 1000 MPa, otrzymujemy sprężenie rzędu:

0,7 × 1000 × 245 = 171 500 N, czyli około 171,5 kN na jedną śrubę.

To nie jest zwykłe „mocne dokręcenie”. Wprowadzenie takiej siły musi odbywać się przewidzianą procedurą, przy użyciu odpowiedniego kompletnego zestawu śrubowego.

Do połączeń sprężanych stosuje się zestawy wysokiej wytrzymałości objęte serią EN 14399, między innymi systemy HR, HV oraz HRC. Typowe zestawy występują w zakresie gwintów od M12 do M36, zależnie od konkretnego systemu. Elementów zestawu nie powinno się traktować jak przypadkowej kombinacji śruby, nakrętki i podkładki kupionych osobno. Ich współpraca, smarowanie, charakterystyka dokręcania i zdolność do uzyskania wymaganej siły sprężającej są częścią systemu.

To ważne również na budowie. Wymiana nakrętki albo podkładki na „taką samą wymiarowo” może zmienić warunki tarcia i spowodować, że zadany moment dokręcania nie da oczekiwanego sprężenia.

W połączeniach przenoszących ścinanie Eurokod rozróżnia różne mechanizmy pracy. W uproszczeniu można spotkać trzy podstawowe kategorie:

• kategoria A – połączenia typu dociskowego, w których dopuszcza się pracę śruby na ścinanie i docisk trzpienia do ścianki otworu,

• kategoria B – połączenia odporne na poślizg w stanie granicznym użytkowalności,

• kategoria C – połączenia odporne na poślizg w stanie granicznym nośności.

Różnica jest zasadnicza. W zwykłym połączeniu śrubowym elementy mogą przemieścić się do chwili oparcia trzpienia śruby o krawędź otworu. Przy odpowiednio zaprojektowanym połączeniu ciernym siła jest przekazywana przez tarcie między sprężonymi powierzchniami, a nie przez docisk trzpienia do otworu.

Dlatego sama liczba i średnica śrub nie wystarczą. Trzeba określić także stan powierzchni ciernych.

W praktyce współczynnik tarcia może przyjmować wartości rzędu μ = 0,20–0,50, zależnie od przygotowania i potwierdzonej klasy powierzchni. Różnica jest ogromna: przy identycznej sile sprężenia powierzchnia o μ = 0,50 pozwala uzyskać około 2,5 raza większą składową tarcia niż powierzchnia o μ = 0,20.

I tu pojawia się typowy błąd wykonawczy. Element zostaje prawidłowo obliczony jako połączenie cierne, a następnie powierzchnie styku są podczas produkcji pokrywane przypadkową powłoką malarską. Estetycznie wygląda dobrze, mechanicznie może zniszczyć założenia projektu.

Jeżeli połączenie ma pracować bez poślizgu, dokumentacja powinna wskazywać między innymi:

• wymagany system śrubowy,

• klasę śruby,

• kategorię połączenia,

• sposób przygotowania powierzchni ciernych,

• założony lub wymagany współczynnik tarcia,

• metodę sprężania,

• wymagania kontroli wykonania.

Śruba 10.9 wpisana samotnie w zestawieniu materiałowym nie jest jeszcze specyfikacją połączenia sprężanego.

Spawanie usuwa otwory i luzy montażowe, ale tworzy własne problemy

Spoina daje projektantowi coś, czego połączenie śrubowe nie zapewnia równie łatwo: ciągłe połączenie elementów bez wykonywania otworów i bez mechanicznego luzu charakterystycznego dla typowych połączeń śrubowych. Dlatego spawanie jest naturalnym wyborem przy wielu węzłach wykonywanych w warsztacie – szczególnie przy blachach czołowych, żebrach, przewiązkach, wspornikach, elementach skrzynkowych i profilach spawanych.

Nie oznacza to jednak, że spoina jest automatycznie prostsza.

Projektant musi rozróżnić przede wszystkim spoiny pachwinowe oraz spoiny czołowe, w tym połączenia z pełnym lub częściowym przetopem. Nośność zależy nie od widocznej szerokości ściegu, lecz od geometrii efektywnej spoiny i układu naprężeń.

Przy spoinie pachwinowej jednym z podstawowych parametrów jest grubość gardzieli „a”. To właśnie ona, wraz z efektywną długością spoiny i właściwościami materiału, wchodzi do obliczeń nośności.

W praktyce przewymiarowanie spoiny nie jest darmowym zwiększeniem bezpieczeństwa. Większa spoina oznacza:

• więcej materiału dodatkowego,

• dłuższy czas spawania,

• większą ilość wprowadzanego ciepła,

• większe odkształcenia elementu,

• większe naprężenia własne,

• więcej szlifowania i poprawek,

• wyższy koszt kontroli i produkcji.

Przykład jest prosty. Zwiększenie spoiny pachwinowej z a = 4 mm do a = 8 mm nie oznacza tylko narysowania grubszej kreski na dokumentacji. Objętość przekroju spoiny rośnie znacznie, a wykonawca musi wprowadzić do elementu dużo więcej materiału i ciepła. Przy cienkich blachach efekt może być odwrotny do zamierzonego: detal będzie miał duży zapas obliczeniowy spoiny, ale zacznie się deformować podczas produkcji.

Jeszcze ważniejszy jest dostęp do spawania. Spoina zaprojektowana poprawnie na ekranie może być fatalna do wykonania, jeśli palnik nie mieści się między blachami, operator nie widzi jeziorka albo nie ma miejsca na wykonanie wymaganej sekwencji ściegów.

Dobry detal sprawdza się więc dwukrotnie: obliczeniowo i technologicznie.

W realnej produkcji spawalniczej trzeba ponadto kontrolować cały proces. Znaczenie mają między innymi:

• materiał podstawowy i jego spawalność,

• metoda spawania,

• materiał dodatkowy,

• przygotowanie brzegów,

• pozycja spawania,

• temperatura materiału,

• energia liniowa,

• kolejność wykonywania spoin,

• kwalifikowana technologia spawania,

• kwalifikacje personelu,

• zakres badań wykonanych złączy.

Szczególnie przy grubszych elementach, stalach o większej wytrzymałości i silnie skrępowanych węzłach nie można traktować spawania jako procesu „zespawaj dookoła”. Rosną wtedy wymagania dotyczące technologii, a źle dobrana kolejność spawania może wyciągnąć blachę czołową, skręcić profil albo przesunąć otwory poza tolerancję.

Na placu budowy problem jest jeszcze większy. Spawanie montażowe oznacza uzależnienie jakości od warunków atmosferycznych, dostępu, przygotowania powierzchni i możliwości prowadzenia kontroli. Wiatr może pogarszać osłonę gazową, wilgoć komplikuje przygotowanie złącza, a praca na wysokości rzadko zapewnia taką powtarzalność jak stanowisko warsztatowe.

Dlatego sensowny podział technologiczny często wygląda tak: maksymalizować spawanie w kontrolowanych warunkach warsztatu, a montaż konstrukcji prowadzić za pomocą prawidłowo zaprojektowanych połączeń śrubowych.

Nie jest to żelazna reguła. Jest jednak bardzo dobrym punktem wyjścia dla hal, konstrukcji przemysłowych, pomostów, estakad czy wielu konstrukcji wsporczych.

Śruby czy spoiny? Decyduje sposób pracy węzła, montaż i zmęczenie

Jeżeli połączenie ma przenosić duże siły, obie technologie mogą być poprawne. Pytanie brzmi: jak konstrukcja ma pracować i jak zostanie wykonana.

Śruby sprężane mają mocną przewagę tam, gdzie trzeba ograniczyć poślizg. Dotyczy to między innymi węzłów poddanych obciążeniom zmiennym, połączeń wymagających wysokiej sztywności eksploatacyjnej oraz detali, w których nawet niewielkie przemieszczenie w otworach byłoby niepożądane.

Są również wygodne montażowo. Konstrukcję można skręcić bez wprowadzania ciepła, a dobrze zaprojektowany węzeł pozwala później wymienić element. Przy konstrukcji przewidzianej do demontażu lub przebudowy jest to argument, którego nie da się sprowadzić wyłącznie do ceny jednej śruby.

Minusem jest przygotowanie. Trzeba wykonać otwory z odpowiednimi tolerancjami, zapewnić dostęp do łba i nakrętki oraz przewidzieć miejsce na narzędzie dokręcające. Przy dużych średnicach śrub klucz potrzebuje znacznie więcej przestrzeni, niż sugeruje sama średnica otworu.

Najbardziej irytujący problem pojawia się zwykle dopiero podczas montażu: otwory z dwóch elementów nie pokrywają się. Nie powinno się wtedy „ratować” konstrukcji palnikiem i dowolnie powiększać otworów. Takie działanie może zmienić geometrię połączenia, odległości od krawędzi i założoną nośność. Każda korekta musi być zgodna z wymaganiami wykonawczymi i projektem.

Spoiny są korzystne tam, gdzie potrzebne jest zwarte, ciągłe połączenie i gdzie dostępne miejsce nie pozwala na sensowne rozmieszczenie śrub. Dają też dużą swobodę kształtowania węzła warsztatowego.

Ich słabą stroną jest jednak wpływ procesu spawania na element. Strefa wpływu ciepła, naprężenia własne oraz imperfekcje geometryczne nie znikają dlatego, że obliczeniowa nośność spoiny wyszła wysoka.

Szczególnej uwagi wymagają konstrukcje zmęczeniowe. Przy wielokrotnie powtarzanych obciążeniach nie wystarczy sprawdzić statycznej nośności połączenia. Detal, przejścia geometryczne, zakończenia spoin, karby i sposób przekazywania obciążenia wpływają na kategorię zmęczeniową. W takich konstrukcjach „mocniejsza spoina” nie musi oznaczać większej trwałości zmęczeniowej.

Podobnie śruba sprężana nie jest magicznym lekarstwem na każde obciążenie dynamiczne. Wymagane sprężenie musi zostać rzeczywiście osiągnięte i utrzymane, a powierzchnie cierne muszą odpowiadać założeniom projektu.

Praktyczny wybór można uporządkować następująco:

• wybierz połączenie sprężane, jeżeli kontrola poślizgu jest jednym z podstawowych wymagań;

• preferuj śruby przy montażu terenowym, kiedy chcesz ograniczyć spawanie na wysokości i zależność od warunków atmosferycznych;

• preferuj spawanie warsztatowe, gdy detal jest zwarty, dostępny i łatwo kontrolować odkształcenia;

• nie wybieraj spoiny tylko po to, aby uniknąć projektowania grupy śrub – przy trudnym dostępie spawalniczym problem zostanie jedynie przeniesiony z biura na halę;

• nie stosuj połączenia sprężanego bez zdefiniowania powierzchni styku, bo współczynnik tarcia jest częścią modelu obliczeniowego;

• przy obciążeniach zmiennych wykonaj osobną ocenę zmęczeniową, zamiast opierać decyzję wyłącznie na nośności statycznej;

• przy węźle montażowym sprawdź przestrzeń na narzędzia, zanim zatwierdzisz rozstaw śrub;

• przed zamrożeniem projektu skonsultuj trudne węzły z technologiem wykonawcy, szczególnie jeśli występują grube blachy, duże spoiny, ograniczony dostęp albo duże sprężane zestawy śrubowe.

Koszt również trzeba liczyć szerzej niż przez kilogram stali. Przy połączeniu śrubowym płaci się za zestawy śrubowe, otworowanie, przygotowanie powierzchni, sprężanie i kontrolę. Przy spawanym – za przygotowanie złącza, materiał dodatkowy, pracę spawacza lub automatu, prostowanie, kwalifikowanie technologii i badania. W produkcji seryjnej dobrze zaprojektowana spoina wykonywana automatycznie może być bardzo ekonomiczna. Na wysokości ten sam detal może stać się jednym z najdroższych miejsc całego montażu.

Nie istnieje więc uniwersalna odpowiedź „spawanie jest tańsze” albo „śruby są droższe”. Koszt połączenia powstaje w technologii wykonania, a nie w samej tabeli nośności Eurokodu.

FAQ

Czy każda śruba klasy 10.9 może być użyta jako śruba sprężana?
Nie. W połączeniu sprężanym należy stosować odpowiedni kompletny zestaw przeznaczony do sprężania, zgodny z wymaganiami właściwej części serii EN 14399. Sama klasa 10.9 opisuje właściwości mechaniczne śruby, ale nie zastępuje wymagań dla całego zestawu śruba–nakrętka–podkładka i jego charakterystyki dokręcania.

Jaką siłę sprężenia przyjmuje się dla śruby?
W klasycznym podejściu projektowym wartość charakterystyczna jest określana zależnością Fp,C = 0,7 × fub × As. Dla M20 klasy 10.9 daje to około 171,5 kN. Dokładny sposób stosowania zależności trzeba odnieść do wydania normy przyjętego w danym projekcie.

Czy powierzchnie w połączeniu ciernym można pomalować?
Nie można po prostu pokryć ich dowolną farbą. Jeżeli projekt wykorzystuje nośność na poślizg, stan powierzchni i współczynnik tarcia są częścią założeń obliczeniowych. Powłoka musi być przewidziana w specyfikacji i odpowiadać wymaganym właściwościom powierzchni ciernej.

Co jest lepsze przy montażu konstrukcji hali: śruby czy spawanie?
Najczęściej praktyczniejszy jest układ, w którym elementy są maksymalnie spawane w wytwórni, a na budowie łączone śrubami. Ogranicza to spawanie terenowe i ułatwia kontrolę wymiarową. Ostateczny wybór zależy jednak od sił, geometrii węzła, transportu, zmęczenia oraz wymaganej sztywności.

Czy większa spoina zawsze jest bezpieczniejsza?
Nie. Zbyt duża spoina zwiększa ilość wprowadzonego ciepła, odkształcenia i naprężenia własne, a często nie daje proporcjonalnej korzyści konstrukcyjnej. Wymiar spoiny powinien wynikać z obliczeń i technologii, a nie z zasady „dajmy większą na wszelki wypadek”.

Czy połączenie sprężane można kontrolować zwykłym kluczem dynamometrycznym?
Sposób kontroli zależy od przyjętej metody sprężania i systemu zestawu śrubowego. Sam odczyt momentu nie jest uniwersalnym dowodem osiągnięcia wymaganej siły sprężającej, ponieważ wynik zależy między innymi od tarcia w gwincie i pod nakrętką. Procedurę dokręcania trzeba określić zgodnie z EN 1090-2 i wymaganiami zastosowanego systemu.

Która norma jest obecnie najważniejsza przy projektowaniu takich połączeń w Polsce?
Projektant powinien przede wszystkim sprawdzić aktualne wydanie PN-EN 1993-1-8 oraz dokumenty przywołane dla danego zastosowania. W 2025 r. opublikowano PN-EN 1993-1-8:2025-11, zastępującą starsze wydanie. Przy wykonaniu konstrukcji istotna jest PN-EN 1090-2+A1:2024-10, a dla zestawów do połączeń sprężanych – seria EN 14399.

Pierwsza decyzja w projekcie nie powinna więc brzmieć „ile dać śrub?” ani „jak dużą zrobić spoinę?”. Najpierw określ mechanizm pracy węzła: czy dopuszczasz poślizg, czy występuje zmęczenie, gdzie połączenie będzie wykonywane i jak będzie kontrolowane. Dopiero później dobieraj średnicę śrub, powierzchnie cierne albo wymiar spoiny. Jeżeli w istniejącym projekcie widnieje tylko zapis „M20 10.9” lub symbol spoiny bez wymagań wykonawczych, właśnie od usunięcia tej niejednoznaczności należy zacząć.

Więcej informacji na: kwalifikacje spawalnicze, konstrukcje stalowe.