JP2015078551A

JP2015078551A - 継手構造

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Publication number: JP2015078551A
Application number: JP2013216903A
Authority: JP
Inventors: 敬長野; Takashi Nagano
Original assignee: Constec Engi Co
Current assignee: Constec Engi Co
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2033-10-18
Also published as: JP6196122B2

Abstract

【課題】接合力に優れた、被接合材を接合するための継手構造を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の継手構造１は、複数の被接合材２を互いの端部の間に空隙を設けて接合する継手構造であって、該継手構造１は、空隙５を設けて配設された一対の被接合材２と、前記一対の被接合材２の端部間に亘って配置され、一対の被複合材２を接合する接合材３と、前記接合材３および前記一対の被接合材２の表面の間に設けられた接着剤層４とを有し、前記接合材３の前記空隙５近傍の部分が、前記接合材３の他の部分より肉厚に形成されていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の被接合材を接合材により接合する継手構造に関する。

建築構造物を構成する鋼板、形鋼、鋼管等の各種の鋼材のような被接合材を接合する際には、例えば特許文献１にあるように、スプライスプレートのような接合材を用いた高力ボルト接合が広く用いられている。特許文献１の高力ボルト接合では、図６に示されるように、二つの鉄骨部材（Ｈ形鋼）１００の端部を、空隙１０４を介して突き合わせて配置した後、これらの鉄骨部材１００のフランジ１０１の両面側にスプライスプレート１０２を当接させたうえで、これらのフランジ１０１およびスプライスプレート１０２に挿通される高力ボルト１０３を締め付けることによって、二つの鉄骨部材１００を接合している。空隙１０４は、一般的に、施工上の遊びを持たせるためや、鉄骨部材１００の熱膨張による変位を吸収するために設けられる。

高力ボルト接合による被接合材の接合では、被接合材に高力ボルトを挿通するための孔が開いていなければならない。たとえば、耐震補強工事のように既存設備において被接合材の接合を行わなければならないような場合、非常に狭い既存設備内で被接合材に孔を開けなければならず、その工程が非常に煩雑である。また、被接合材に高力ボルトを挿通する孔を形成する作業において火花が発生する場合があり、化学品工場など火を使うことのできない設備においては、火花が発生する孔開け作業を行なうことができない。このように、既存設備内での被接合材の接合に高力ボルト接合を用いることが困難な場合がある。

特開平１０−３１７４９０号公報

孔を開けることなく、または簡便に被接合材を接合する方法として、高力ボルトのかわりに接着剤を用いて被接合材と接合材を接着して、被接合材を接合する方法が期待される。このような接着剤による被接合材の接合方法として、たとえば図３に示されるような、２つの被接合材２０１の端部が空隙２０４を介して突き合わされて、２つの被接合材２０１の端部近傍の表面に亘って接合材２０２が接着剤層２０３により接着され、２つの被接合材２０１が接合された継手構造２００が考えられる。しかし、図３に示されるような接着剤層を用いた継手構造２００は、詳細は後述するが、充分な接合力を得ることができず、実用的に採用されていないのが現状である。

そこで、本発明は、接合力に優れた、被接合材を接合するための継手構造を提供することを目的とする。

本発明の継手構造は、複数の被接合材を互いの端部の間に空隙を設けて接合する継手構造であって、該継手構造は、空隙を設けて配設された一対の被接合材と、前記一対の被接合材の端部間に亘って配置され、一対の被複合材を接合する接合材と、前記接合材および前記一対の被接合材の表面の間に設けられた接着剤層とを有し、前記接合材の前記空隙近傍の部分が、前記接合材の他の部分より肉厚に形成されていることを特徴とする。

また、前記接合材の前記空隙近傍の部分から離れるにしたがい、前記接合材の他の部分の厚さが薄くなるように、前記接合材の前記被接合材表面側の面と反対側の面がテーパー状に形成されることが好ましい。

また、前記接合材が、前記一対の被接合材の一方の面および他方の面の表面に前記接着剤層を介して当接して設けられ、前記空隙内の少なくとも一部に、前記接合材に挟持されて固定されるスペーサが設けられることが好ましい。

本発明によれば、接合材の空隙近傍の部分を接合材の他の部分より肉厚に形成することにより、空隙近傍の接着剤層が受ける引張応力を軽減し、接着剤層の破壊を抑制し、被接合材同士の接合強度を向上させることができるので、接合力に優れた、被接合材を接合するための継手構造を提供することができる。

本発明の継手構造の一実施形態を示す断面図である。本発明の継手構造の他の実施形態を示す断面図である。接着剤を用いた被接合材の継手構造を示す参考例の斜視図である。図３の継手構造において被接合材に引張荷重が加えられた時に、接合材の軸方向に生じる歪を模式的に示す継手構造の断面図および軸方向の位置に対する歪量を模式的に示す図である。図３の継手構造において被接合材に引張荷重が加えられた時に、接合材および接着剤層の軸方向に垂直な方向に生じる応力を模式的に示す継手構造の断面図である。従来の鉄骨部材を接合する継手構造を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の継手構造の実施形態を詳細に説明する。

本発明の一実施形態（以下、第１実施形態という）の継手構造１は、図１に示されるように、複数の被接合材２を互いの端部の間に空隙５を設けて接合する継手構造であって、鉄骨構造物、鉄筋コンクリート構造物、木構造物などの建築構造物に使用される構造用材料の接合手段として用いることができる。

第１実施形態の継手構造１は、図１に示されるように、空隙５を設けて配設された一対の被接合材２と、一対の被接合材２の端部２ａ、２ｂ間に亘って配置され、一対の被複合材２を接合する接合材３と、接合材３および被接合材２の表面の間に設けられた接着剤層４とを有している。接合対象である被接合材２としては、主として鋼板、形鋼、鋼管等の各種の鋼材を用いることができるが、木材、アルミニウム材、ガラス材など他の構造用材料を用いることもできる。継手構造１においては、一対の被接合材２の表面が接着剤層４によって接合材３に接着されて、一対の被接合材２がその接合材３を介して接合される。本実施形態では、接着剤層４のみによって被接合材２と接合材３とが接着されているが、ボルトなど公知の固定方法を組み合わせることにより固定してもよい。

接合材３としては、主として鋼板などの鋼材を用いることができるが、一対の被接合材２に荷重が加えられても、接着剤層４が破壊されたり、被接合材２や接合材３が接着剤層４から剥離されたりするよりも前に、接合材３に脆性破壊が生じることがなく、一対の被接合材２を充分な接合強度で接合することができれば特に限定されない。

第１実施形態の継手構造１は、図１に示されるように、一対の被接合材２の間に空隙５が設けられるが、その空隙５によって、施工上の遊びを持つことができるとともに、被接合材２の熱膨張による変位を吸収することができる。空隙５の大きさは、用いられる被接合材２の性質や、構造設計などに基づいて適宜変更が可能であり、継手構造１が施工上の遊びを持つことができ、被接合材２の熱膨張による変位を吸収することができれば、特に限定されない。

接着剤層４は、被接合材２と接合材３を接着して、一対の被接合材２を充分な接合強度で接合することができれば特に限定されないが、エポキシ樹脂系接着剤、アクリル樹脂系接着剤、シリコーン樹脂系接着剤、ポリウレタン系接着剤、シアノアクリレート系接着剤、ＳＧＡ系接着剤、解体性接着剤などを用いることができる。

本発明者は、上述のように被接合材を接着剤により接合することを検討したが、上述した図３のような構造そのままでは、被接合材に加わる荷重により、継手構造として充分に強度を得られないことを見出した。

以下、参考例として示した図３を用いて、継手構造において、接合材の軸方向に歪が生じることによって、充分な接合強度が得られない理由を説明する。図３は、上述したように、一対の被接合材２０１の端部を空隙２０４を介して突き合わせ、一対の被複合材２０１を両面側から接着剤層２０３により接合材２０２で接合した継手構造２００を示している。接合材２０２は、特許文献１のスプライスプレート１０２（図６参照）と同様に、厚さが一様な平板状である。

図４は、図３に示された継手構造２００において、被接合材２０１、接合材２０２および接着剤層２０３が積層される方向に垂直な方向（図４中左右方向。本明細書中で、軸方向という。）で、被接合材２０１が互いに逆向きに引き離される向きに、被接合材２０１に引張荷重が加えられた場合における、接合材２０２に生じる軸方向の歪を模式的に示した図である。図４の上側は、接合材２０２に生じる歪（変形）を模式的に示しており、図４の下側は、接合材２０２の軸方向の位置に対する歪量を模式的に示している。図４に示されるように、被接合材２０１が引張荷重を受けると、接着剤層２０３により固定された接合材２０２が軸方向に引張応力を受けるが、このとき接合材２０２の軸方向中央部において最も歪量が大きく、接合材２０２の軸方向中央部から離れるにしたがい歪量が小さくなっている。このように、接合材２０２の接着剤層２０３に接着していない部分に軸方向の歪が集中する。このとき生じる歪εは以下の式１で表わされる。

ε＝ΔＬ／Ｌ＝σ／Ｅ（式１）
ただし、Ｌは接合材２０２の軸方向の長さ、ΔＬは接合材２０２の軸方向の伸び長さ、σは接合材２０２が軸方向で受ける引張応力、Ｅは接合材２０２のヤング率である。

接合材２０２の接着剤層２０３に接着していない部分では、軸方向に生じる歪によって、以下の式２で表わされる接合材２０２のポアソン比νにしたがって、軸方向に垂直な方向（厚さ方向）にも、接合材２０２の厚さを減ずるように歪が生じる。この歪に引かれて、空隙２０４近傍の接着剤層２０３の端部２０３ｅは、軸方向に垂直で、被接合材２０１から引き離される向きに局所的な引張応力を受ける。接着剤層２０３は、この引張応力とは別に、被接合材２０１と接合材２０２が逆向きに引かれることにより、軸方向でほぼ均一なせん断応力を受ける。先の引張応力にこのせん断応力が加わることによって、端部２０３ｅにおいて接着剤層２０３の局所的な破壊が生じる。この破壊箇所を起点に接合材２０２の剥離が生じやすくなって、厚さが一様な接合材２０２を用いた継手構造２００では充分な接合強度が得られない。

ν＝（ΔＤ／Ｄ）／（ΔＬ／Ｌ）（式２）
ただし、Ｄは接合材２０２の厚さ、ΔＤは接合材２０２の縮み厚さ、Ｌは接合材２０２の軸方向の長さ、ΔＬは接合材の軸方向の伸び長さである。

以上のような点に着目し、本発明の接合材３は、図１に示されるように、接合材３の空隙５近傍の部分３ａが、接合材３の他の部分３ｂより肉厚に形成されている。ここで、接合材３の空隙５近傍の部分３ａとは、空隙５があることによって接合材３が接着剤層４を介して被接合材２に接着していない非接着領域およびその非接着領域の軸方向両端の近傍の部分のことであり、接合材３の他の部分３ｂとは、前記部分３ａ以外の接合材３の接着された部分のことである。継手構造１は、以下に詳しく述べるように、接合材３の空隙５近傍の部分３ａが接合材３の他の部分３ｂより肉厚に形成されていることにより、その接合強度を上げることができる。

第１実施形態の継手構造１によれば、軸方向の歪が生じる、接合材３の空隙５近傍の部分３ａが、接合材３の他の部分３ｂより肉厚に形成されている。ここで、式１のヤング率Ｅは接合材固有の値で一定であるが、式１の引張応力σは、単位断面積当たりに受ける力を表わしているので、引張荷重が一定で接合材３の断面積が大きくなれば小さくなる。接合材３の空隙５近傍の部分３ａは、接合材３の他の部分３ｂより肉厚に形成され、その断面積が大きいので、接合材３の空隙５近傍の部分３ａの引張応力が、接合材３の他の部分３ｂより小さい。式１によれば、ヤング率が一定で引張応力が小さくなると、軸方向の歪ΔＬ／Ｌが小さくなる。式２によれば、接合材３のポアソン比νは一定なので、軸方向の歪ΔＬ／Ｌが小さくなることによって軸方向に垂直な方向の歪ΔＤ／Ｄも小さくなる。つまり、接合材３の空隙５近傍の部分３ａが、接合材３の他の部分３ｂより肉厚に形成されることにより、被接合材２に引張荷重が加えられた際に、接合材３の空隙５近傍の部分３ａに生じる軸方向の歪を軽減することができ、それによって軸方向に垂直な方向の歪も軽減することができる。その結果、接着剤層４の空隙５近傍の端部に生じる引張応力を軽減することができるので、接着剤層４の局所的な破壊を抑えることができ、継手構造１の接合強度を上げることができる。

図１に戻ると、第１実施形態の接合材３は、接合材３の空隙５近傍の部分３ａから離れるにしたがい（図１中参照符号３ｃで示す接合材の端面に向かって）、接合材３の他の部分３ｂの厚さが薄くなるように、接合材３の被接合材２表面側の面Ｓ１と反対側の面Ｓ２がテーパー状に形成されている。ここで、図４の下側に示された模式図からもわかるように、接合材３には、接合材３の接着剤層４に接着していない部分に集中的に歪が生じるだけでなく、その周辺にも歪が生じ得る。接合材３が上述のようにテーパー状に形成されることにより、接合材３の厚さを、接合材３に生じ得る軸方向の歪量に対応させることができる。この構成により、接合材３に生じ得る軸方向の歪の分布の集中の度合いを軽減し、端部へ向かって歪量がなだらかに変化するようにすることができる。それにともなって、空隙５近傍の接着剤層４が受ける引張応力を効果的に軽減することができるので、接着剤層４の局所的な破壊を抑えることができ、継手構造１の接合強度を上げることができる。

第１実施形態では、図１に示されるように、接合材３の空隙５近傍の部分３ａの厚さが、接合材３の他の部分３ｂ、特に端部の厚さ（端面３ｃにおける厚さ）の略２倍であるが、継手構造１の接合強度を上げるために、接合材３の空隙５近傍の部分３ａに生じる歪を軽減することができれば、この倍率に限定されることはなく、接合材３の軸方向両端が図１の断面において鋭角となる（すなわち、端面３ｃの厚さがほぼ０になる）ようにしてもよい。また、接合材３の断面形状は、図１に示されたような直線の組み合わせによる略多角形状に限らず、たとえば図４の下側に示される歪分布曲線に対応するような曲線を組み合わせたもの、すなわち接合材３の軸方向での歪量の変化に対応して厚みを変化させるように形成してもよい。ただし、接合材３の空隙５近傍の部分に生じる歪を軽減するという目的のために、接合材３の軸方向における厚さの平均に対する接合材３の空隙５近傍の厚さの割合は、１．２倍以上が好ましく、１．５倍以上がより好ましく、２．０倍以上がさらにより好ましい。

図２に、本発明の継手構造１の他の実施形態（以下、第２実施形態という）の断面図を示す。図２では、図１に示された実施形態と共通する構成に同一の符号を付してある。また、以下の説明の中では、図１に示された実施形態と共通する構成の説明は省略する。

第２実施形態は、第１実施形態に加えて、接合材３の軸方向に垂直な方向に応力が生じる場合にも、充分な接合強度を得ることができるものである。以下、図３に示した参考例の継手構造２００において、接合材２０２の軸方向に垂直な方向に応力が生じることによって、充分な接合強度が得られない理由を図５を用いて説明し、第２実施形態の継手構造１では図２に示された構成によりその接合強度を上げることができる理由を詳細に説明する。

図５は、図３に示された継手構造２００において、軸方向で、被接合材２０１が互いに逆向きに引き離される向きに、被接合材２０１に引張荷重が加えられた場合における、接合材２０２および接着剤層２０３に加わる軸方向に垂直な方向の応力を示している。なお、理解を容易にするために図５は曲げを実際より大きくデフォルメして図示している。図５に示されるように、被接合材２０１の断面の中心線２０１ａと接合材２０２の断面の中心線２０２ａにずれがあるために、被接合材２０１が軸方向逆向きに引っ張られると、接合材２０２に曲げモーメントが生じる。これによって、接合材２０２は、空隙２０４近傍で被接合材２０１に近づく方向に応力を受け、接合材２０２の端部近傍で被接合材２０１から離れる方向に応力を受ける。この応力によって、接合材２０２は、被接合材２０１から離れる方向に反るように曲げ変形が生じる。このとき、図５に示されるように、接合材２０２の軸方向中央部２０２ｂが突出して空隙２０４に入り込むため、空隙２０４の存在が接合材２０２の曲げ変形を抑制することができず、逆にさらに助長することになる。この結果、接合材２０２の端部近傍の接着剤層２０３は、軸方向に垂直で、被接合材２０１から引き離される向きに引張応力を受けることになる。接着剤層２０３は、この引張応力に上述したせん断応力が加わることによって、接合材２０２の端部近傍において局所的な破壊が生じる。この破壊箇所を起点に接合材２０２の剥離が生じやすくなって、継手構造２００では充分な接合強度が得られない。

本発明の第２実施形態の継手構造１においては、図２に示されるように、接合材３が、一対の被接合材２の一方の面および他方の面の表面に接着剤層４を介して当接して設けられ、空隙５内の少なくとも一部に、接合材３に挟持されて固定されるスペーサ６が設けられている。スペーサ６は、断面略矩形状を有する鋼材が用いられているが、接合材３の変形を抑制できる程度の剛性を有するものであれば、断面円形状、断面多角形状などいかなる形状であってもよく、またチタン合金材やニッケル合金材などいかなる材質であってもよい。スペーサ６は、接合材３の変形を抑制できるように、空隙５内に少なくとも一部に設けられていればよいが、施工上の遊びおよび熱膨張による変位の吸収という空隙５の持つ機能を妨げないように、被接合材２に接しないように設けられることが望ましい。また、スペーサ６は、接合材３で挟持することによる押圧力だけで固定してもよいし、接着剤、溶接、ボルトによる固定などの既知の固定方法により接合材３に固定してもよい。継手構造１は、以下に詳しく述べるように、空隙５内の少なくとも一部に、接合材３に挟持されて固定されるスペーサ６が設けられることにより、その接合強度を上げることができる。

第２実施形態の継手構造１によれば、空隙５内の少なくとも一部に、接合材３に挟持されて固定されるスペーサ６が設けられている。このスペーサ６は、被接合材２に引張荷重が加えられたときに、接合材３に生じる曲げモーメントによって接合材３に曲げ変形が生じようとするが、接合材３の曲げ中心の外周部が空隙５内に突出するのを抑止することができるので、接合材３の曲げ変形を抑制することができる。その結果、接合材３の端部における応力を軽減することができ、それによって接合材３の端部近傍の接着剤層４が受ける引張応力を軽減することができるので、接着剤層４の局所的な破壊を抑えることができ、継手構造１の接合強度を上げることができる。

さらに、第２実施形態の継手構造１によれば、このスペーサ６に上述の空隙５近傍の部分３ａが厚くなっている接合材３を組み合わせて用いることによって、空隙５近傍の部分３ａにおける接合材３の曲げを抑制し、接合材３の端部近傍の接着剤層４が受ける引張応力を軽減することができるだけでなく、接着剤層４の空隙５近傍の端部に生じる引張応力を軽減することもできるので、接着剤層４の局所的な破壊を完全に抑えることができ、継手構造１の接合強度をより一層上げることができる。

１継手構造
２被接合材
２ａ、２ｂ被接合材の端部
３接合材
３ａ接合材の空隙近傍の部分
３ｂ接合材の他の部分
３ｃ接合材の端面
４接着剤層
５空隙
６スペーサ

Claims

複数の被接合材を互いの端部の間に空隙を設けて接合する継手構造であって、該継手構造は、
空隙を設けて配設された一対の被接合材と、
前記一対の被接合材の端部間に亘って配置され、一対の被複合材を接合する接合材と、
前記接合材および前記一対の被接合材の表面の間に設けられた接着剤層とを有し、
前記接合材の前記空隙近傍の部分が、前記接合材の他の部分より肉厚に形成されていることを特徴とする継手構造。
前記接合材の前記空隙近傍の部分から離れるにしたがい、前記接合材の他の部分の厚さが薄くなるように、前記接合材の前記被接合材表面側の面と反対側の面がテーパー状に形成されることを特徴とする請求項１記載の継手構造。
前記接合材が、前記一対の被接合材の一方の面および他方の面の表面に前記接着剤層を介して当接して設けられ、前記空隙内の少なくとも一部に、前記接合材に挟持されて固定されるスペーサが設けられることを特徴とする請求項１または２記載の継手構造。