JP2005249087A - 高力ボルトを用いた構造材の締結構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 作業環境の如何に拘わらず高品質管理を行なえ、コストダウン、省力化を図る上で有利な高力ボルトを用いた構造材の締結構造を提供すること。
【解決手段】皿ばね２４は、圧縮力Ｆと変形量Ｓとの関係が非線形特性を有し、圧縮力Ｆによりそれ以上弾性変形できない完全に潰された第４の圧縮変形状態（ニ）となる前に、圧縮力Ｆが導入張力を越える第３の圧縮変形状態（ハ）となるように形成されている。また、皿ばね２４は、圧縮力Ｆが導入張力を越えたあたりからその非線形特性の曲線の傾きが小さくなるように形成されている。皿ばね２４は、中心孔２４０２に軸部２００４が挿通され、締め付け用孔２００６に治具が挿入されナット２２あるいは軸部２００４が回転操作されることで、ナット２２が軸部２００４に対して締め付けられ、ナット２２と構造材１２の面１２０２との間で第３の圧縮変形状態（ハ）に圧縮されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は高力ボルトを用いた構造材の締結構造に関する。

各種産業分野において利用されている部材の接合に際しては、各種の溶接による接合手段の他に、ボルトによる接合手段が採用されている。このようなボルト接合手段にあっては、特に、土木、建築分野などでは、接合の信頼性が高く、作業性にも優れた高力ボルトを用いた摩擦接合が多用されている（例えば、特許文献１）。
摩擦接合に用いられる高力ボルトとしては、摩擦接合用高力六角ボルト、六角ナット、平座金のセット(日本工業規格ＪＩＳ−Ｂ−１１８６)や、構造用トルシア形高力ボルト、六角ナット、平座金のセット(日本鋼構造協会ＪＳＳＩＩ−０９)が広く採用されている。

そして、このような高力ボルトのセットを用いた摩擦接合では、高い摩擦力を得るために高力ボルトに張力を導入しており、その張力をボルト締め付け時のトルクまたはナット回転量により間接的に管理している。
特開平８−１０５４２２号公報

そのため、高力ボルトセットの製造時に、ピンテールのノッチ部の寸法管理、ねじ部の潤滑処理が必要となり、高力ボルトの締め付け時には、一次締めのトルク管理、一次締め後のマーキング、本締め、本締め後のナット回転量などの確認と工程も管理する項目が多く、コストが掛かっていた。
また、特に建設現場は、多くの場合風雨に曝される環境にあり、従来の高力ボルトセットでは、トルク係数が高くなる降雨時や降雪時あるいは粉塵が舞う環境では適正な締め付け作業ができない不具合があった。
また、従来の高力ボルトセットでは、極端な温度条件下ではボルトの表面潤滑処理に影響が生じるので、０〜６０℃が適用温度範囲として限定されており、そのため、寒冷地などでは適正な締め付け作業ができない不具合があった。
本発明は前記事情に鑑み案出されたものであって、本発明の目的は、作業環境の如何に拘わらず高品質管理を行なえ、コストダウン、省力化を図る上で有利な高力ボルトを用いた構造材の締結構造を提供することにある。

前記目的を達成するため本発明は、複数の構造材の重ね合わされた部分のボルト挿通孔に挿通された高力ボルトと、前記ボルト挿通孔から突出する高力ボルトの軸部に螺合されるナットとにより前記複数の構造材の部分を前記高力ボルトに導入張力を持たせて締結する構造であって、圧縮力と変形量との関係が非線形特性を有し、前記導入張力よりも小さい値の圧縮力で弾性変形する第１の圧縮変形状態と、前記導入張力と等しい値の圧縮力で弾性変形する第２の圧縮変形状態と、前記導入張力よりも大きい値の圧縮力で弾性変形する第３の圧縮変形状態と、前記圧縮力によりそれ以上弾性変形できない完全に潰された第４の圧縮変形状態となるように形成され、かつ、前記圧縮力が前記導入張力を越えたあたりからその非線形特性の曲線の傾きが小さくなる皿ばねが設けられ、前記皿ばねは、その中心孔に前記ボルト挿通孔から突出する前記軸部が挿通され、前記軸部に螺合されるナットにより前記構造材の面とナットとの間で前記第３の圧縮変形状態に圧縮されていることを特徴とする。

皿ばねが第３の圧縮変形状態に変形されたか否かを視認することで、言い換えると、皿ばねの変形量を視認することで、ボルトに所望値の導入張力が付与されているか否かを簡単に判別できる。
また、従来の高力ボルトセットに比べて、皿ばねにより導入張力のばらつきを少なくでき、これにより設計導入張力を従来よりも大きく設定でき、耐力がアップするため、ボルト本数を削減でき、コストを低減する上で有利となる。
また、非線形型特性を有する皿ばねの変形量により導入張力を直接管理するので、降雨時や降雪時にも施工可能となり、作業環境の如何に拘わらず高品質な締結構造が得られる。
したがって、このようなことからトータルとして接合部の建設コストの低減を図ることが可能となる。

本発明では、圧縮力と変形量との関係が非線形特性を有し、前記導入張力よりも小さい値の圧縮力で弾性変形する第１の圧縮変形状態と、前記導入張力と等しい値の圧縮力で弾性変形する第２の圧縮変形状態と、前記導入張力よりも大きい値の圧縮力で弾性変形する第３の圧縮変形状態と、前記圧縮力によりそれ以上弾性変形できない完全に潰された第４の圧縮変形状態となるように形成され、かつ、前記圧縮力が前記導入張力を越えたあたりからその非線形特性の曲線の傾きが小さくなる皿ばねを用いることで上記の目的を達成した。
以下、本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

図１（Ａ）は実施例１で用いる皿ばねの平面図、図１（Ｂ）は皿ばねの断面正面図、図２はナットを締め付ける前の締結構造の断面図、図３はナットを締め付けて皿ばねを第３の圧縮変形状態にした締結構造の断面図を示す。
図２に示すように、複数の構造材１２，１４，１６の部分が重ね合わされ、実施例１の締結構造１８により締結されている。なお、本発明において構造材とは、例えば、建築、土木の分野などで用いられる梁や柱などのような構造物を構成する部材をいい、これら部材は、一般に、鋼製である。
実施例１では、締結構造１８が互いに対向する梁の端部を接合する構造に適用され、構造材１２，１６は対向する梁のフランジの上下面に設けられたスライスプレートであり、構造材１４は梁を構成する鉄骨フランジ母材である。

締結構造１８は、高力ボルト２０、ナット２２、皿ばね２４を含んで構成され、高力ボルト２０に導入張力を持たせて構造材１２，１４，１６が締結されている。
高力ボルト２０は、丸型の頭部２００２と、雄ねじが形成された軸部２００４とを備えている。軸部２００４の先端部には、軸部２００４と同軸上に断面が六角形、あるいは八角形などの形状の締め付け用孔２００６が形成され、この締め付け用孔２００６は軸部２００４の先端面に開口している。
高力ボルト２０の軸部２００４は、重ね合わされた構造材１２，１４，１６の部分を貫通するボルト挿通孔２６に挿通され、頭部２００２の下面は構造材１６の面１６０２に当接されている。

皿ばね２４は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本実施例では、均一の厚さ（肉厚）Ｔの鋼板製で、中心に孔２４０２が形成された環板状を呈しており、軸方向に圧縮されない状態では円錐面状を呈し、軸方向の高さＨを有しており、立体的形状を呈している。
そして、圧縮力の増加に伴い高さＨの値が小さくなる方向に弾性変形し、やがてそれ以上弾性変形できない完全に潰された状態となる。

図４は、皿ばね２４に加える圧縮力Ｆ（軸方向に加える軸力）と皿ばね２４の軸方向の変形量Ｓの関係線図を示す。
図４において、皿ばね２４の特性を曲線(１）で示し、皿ばね２４は、圧縮力Ｆ（軸方向に加える軸力）と軸方向の変形量Ｓとの関係が非線形特性を有している。
そして、皿ばね２４は、前記導入張力よりも小さい値の圧縮力で弾性変形する第１の圧縮変形状態（イ）と、前記導入張力と等しい値の圧縮力で弾性変形する第２の圧縮変形状態（ロ）と、前記導入張力よりも大きい値の圧縮力で弾性変形する第３の圧縮変形状態（ハ）と、前記圧縮力によりそれ以上弾性変形できない完全に潰された（あるいは完全に変形しきった）第４の圧縮変形状態（ニ）となるように形成されている。
本実施例では、皿ばね２４が均一の厚さ（肉厚）Ｔの鋼板製であることから、第４の圧縮変形状態（ニ）では、高さＨが鋼板の厚さＴと等しくなる平坦な平板形状に圧縮変形された状態となる。
そして、第４の圧縮変形状態（ニ）を越えると、圧縮力Ｆは急激に増加する。
したがって、皿ばね２４は、第４の圧縮変形状態（ニ）となる前に、圧縮力Ｆが導入張力を越える第３の圧縮変形状態（ハ）となるように形成されている。
また、皿ばね２４は、圧縮力Ｆが導入張力を越えたあたりから（第２の圧縮変形状態（ロ））を越えたあたりから）その非線形特性の曲線の傾きが小さくなるように形成されている。

ここで導入張力とは、重ね合わされた構造材１２，１４，１６の部分を締結する際に、軸部２００４に作用させる張力の設定値(設計値)である。このような非線形特性は、皿ばね２４の外径、内径、厚さＴ、高さＨ、材料を適宜設定することで得られる。
図４から明らかなように、第３の圧縮変形状態（ハ）は、圧縮力Ｆが導入張力と一致した第２の圧縮変形状態（ロ）と、それ以上弾性変形できない完全に潰された第４の圧縮変形状態（ニ）との間の状態であり、第３の圧縮変形状態（ハ）における軸方向の変形量Ｓは視認できる範囲を有しており、実施例では、軸方向の変形量Ｓで約２ｍｍの範囲を有している。

皿ばね２４は、図２に示すように、その中心孔２４０２にボルト挿通孔２６から突出する軸部２００４が挿通され、その上からナット２２が軸部２００４に螺合される。そして、締め付け用孔２００６に治具が挿入されナット２２が回転操作されることで、あるいは、ナット２２を回転不能に支持し締め付け用孔２００６に挿入した治具を回転させることで、ナット２２が軸部２００４に対して締め付けられ、図３に示すように、ナット２２と構造材１２の面１２０２との間で第３の圧縮変形状態（ハ）に圧縮されている。
したがって、皿ばね２４が第３の圧縮変形状態（ハ）に圧縮されることで、ボルト２０の軸部２００４には所望の張力が導入されることになる。

実施例１によれば、皿ばね２４の形状を視認することで、すなわち、皿ばね２４が第３の圧縮変形状態（ハ）に変形されたか否かを視認することで、ボルト２０に所望値の導入張力が付与されているか否かを簡単に判別でき、したがって、品質管理を簡単に行なえ、コストを低減しつつ高品質な締結構造が得られる。
特に、実施例では、第３の圧縮変形状態（ハ）における軸方向の変形量Ｓが視認できる範囲を有しているので、所望値の導入張力が付与されているか否かをより一層簡単に判別できる。
また、上述のように静的に視認できる他、第３の圧縮変形状態（ハ）になると、皿ばね２４の非線形型特性の曲線の傾きが小さくなるので、例えば、作業者が負荷電力を把握できる電動式工具でボルト２０を締め付ける場合、負荷電力が小さくなったところで締め付けを終了すればよく、したがって、ボルト２０の軸部２００４に所望の導入張力が付与されたことが、動的にも簡単に判別でき、高力ボルト２０の締め付け作業の効率を高める上で有利となり、コストを低減する上で有利となる。言い換えると、所定の張力が導入されたか否かは、皿ばね２４の変形量で保証され、この変形量は、目視または締め付け負荷の変化で簡単に判別（検知）できる。

また、従来の高力ボルトセットに比べて、皿ばね２４により導入張力のばらつきを少なくでき、これにより設計導入軸力を従来よりも大きく設定でき、耐力がアップするため、ボルト本数を削減でき、コストを低減する上で有利となる。
また、従来の高力ボルトセットに比べて、一次締めのトルク管理と一次締め後のマーキング、本締め後の回転量の確認が不要となり、この点においても締め付け作業の効率を高める上で有利となる。
また、皿ばね２４の変形量により導入張力を直接管理するので、降雨時や降雪時にも施工可能となり、施工時の気温の影響によるばらつきも少なく、したがって、作業環境の如何に拘わらず高品質な締結構造が得られる。
また、皿ばね２４を用いる構成であるため、従来のトルシア形高力ボルトとナットとを、その使用方法が本来のトルシア形高力ボルトと異なるものの、ボルト、ナットとしてそのまま使用でき、したがって、ピンテールのノッチ精度管理も不要となる。

また、皿ばね２４に圧力が掛かるため、ボルト挿通孔２６の欠損部などへの応力集中を緩和でき、耐力をアップし高品質を維持する上で有利となる。
また、締め付けトルクを管理する必要がなくなるため、異種強度（機械的性質の異なる）のボルト(例えば、Ｓ１０Ｔ、Ｓ１４Ｔなど)が混在していても、皿ばね２４の変形量で導入張力を管理するので、同じ治具で締め付けが可能となり、組立作業を効率化できると同時に、端部に他の箇所で用いるボルトよりも強度の大きなボルトを配置するなど異種強度ボルトの適正配置により合理的な接合法が施工的にも可能となる。
したがって、このようなことからトータルとして接合部の建設コストの低減を図ることが可能となる。

なお、実施例１では、皿ばね２４が、均一の厚さ（肉厚）Ｔの鋼板を用いて載頭円錐形で環板状に形成されている場合について説明したが、皿ばね２４の形状は任意である。例えば、部分的に厚さの異なる部材を用いて形成してもよく、あるいは、部分的に凹凸形状が形成された部材を用いて形成してもよく、要するに、皿ばねは、圧縮力と変形量との関係が非線形特性を有し、圧縮力によりそれ以上弾性変形できない完全に潰された第４の圧縮変形状態となる前に前記圧縮力が導入張力を越える第３の圧縮変形状態となり、かつ、前記圧縮力が前記導入張力を越えたあたりからその非線形特性の曲線の傾きが小さくなるものであればよい。

皿ばねの説明図である。 ナットを締め付ける前の締結構造の断面図である。 ナットを締め付けて皿ばねを第３の圧縮変形状態にした締結構造の断面図である。 圧縮力Ｆと皿ばねの変形量Ｓの関係線図である。

符号の説明

１２，１４，１６……構造材、１８……締結構造、２０……高力ボルト、２２……ナット、２４……皿ばね。

Claims (4)

1. 複数の構造材の重ね合わされた部分のボルト挿通孔に挿通された高力ボルトと、前記ボルト挿通孔から突出する高力ボルトの軸部に螺合されるナットとにより前記複数の構造材の部分を前記高力ボルトに導入張力を持たせて締結する構造であって、
   圧縮力と変形量との関係が非線形特性を有し、前記導入張力よりも小さい値の圧縮力で弾性変形する第１の圧縮変形状態と、前記導入張力と等しい値の圧縮力で弾性変形する第２の圧縮変形状態と、前記導入張力よりも大きい値の圧縮力で弾性変形する第３の圧縮変形状態と、前記圧縮力によりそれ以上弾性変形できない完全に潰された第４の圧縮変形状態となるように形成され、かつ、前記圧縮力が前記導入張力を越えたあたりからその非線形特性の曲線の傾きが小さくなる皿ばねが設けられ、
   前記皿ばねは、その中心孔に前記ボルト挿通孔から突出する前記軸部が挿通され、前記軸部に螺合されるナットにより前記構造材の面とナットとの間で前記第３の圧縮変形状態に圧縮されている、
   ことを特徴とする高力ボルトを用いた構造材の締結構造。
2. 前記第３の圧縮変形状態における変形量は視認できる範囲を有していることを特徴とする請求項１記載の高力ボルトを用いた構造材の締結構造。
3. 前記皿ばねは均一厚さの鋼板から構成され、前記第４の圧縮変形状態では平坦な平板形状に圧縮されることを特徴とする請求項１記載の高力ボルトを用いた構造材の締結構造。
4. 前記高力ボルトは丸型の頭部を有し、前記軸部は前記頭部から突出され、前記軸部の先端に該軸部と同軸上で締め付け用の孔が形成され、この孔は前記軸部の先端面に開口していることを特徴とする請求項１記載の高力ボルトを用いた構造材の締結構造。

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