JP2015194232A - 締結構造体及び締結方法 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、スタッドボルトを用いて、構造物を構成する平板状の主部材と副部材とを構造的に一体化することができる締結構造体を提供することを目的とする。【解決手段】構造物を構成する平板状の主板材２に対して、副板材３を固定するとともに、主板材２と副板材３とを一体化するスタッド締結構造体１であって、主板材２の所定箇所に植設したスタッドボルト１０を、副板材３に設けたボルト孔３ａに貫通させるとともに、貫通したスタッドボルト１０に、ワッシャ４０，５０を介して、固定ナット６０を螺合し、固定ナット６０の螺合によってスタッドボルト１０に軸力を作用させて、主板材２と副板材３とを摩擦接合した。【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、スタッドボルトを用いて構造物を構成する主部材に副部材を締結する締結構造体及び締結方法に関する。

例えば、構造物を構成する平板状の主部材に対して、平板状の副部材を固定するとともに、前記主部材と前記副部材とを一体化する締結構造として、一般的に、主部材と副部材とをともに貫通させたボルトとナットとを螺合して、螺合したボルトとナットとで主部材と副部材を挟持して締結する方法によるものが多用されている。

上述のような締結構造の場合、締結対象部材の両側で締結作業が必要となるため、例えば、特許文献１において開示されるように、副部材側の作業のみで締結できるワンサイドボルトを用いることがある。

しかし、ワンサイドボルトによる主部材と副部材との締結であっても、主部材の裏面側でワンサイドボルトの端部に設けられた係止部を係止させる作業が必要であり、例えば、供用中の高架道路の下面に副部材を設置する際は、当該係止のために通行止め等の交通規制や舗装面の除去を行う必要があり、手間やコストの増、及び社会的損失が生じることとなる。

一方で、特許文献２に示すように、スタッドボルトを用いて主部材と副部材とをつなぎ合わせる方法が周知である。
なお、スタッドボルトとは、主部材に対してスタッド軸部をスタッド溶接することにより、スタッド軸部の端部と主部材表面とを溶融してスタッド溶接部を形成して植設される部材である。

しかしながら、特許文献２に示すように、スタッドボルトは、副部材の主部材に対する位置固定、つまり、いわゆるズレ止めとしてしか機能せず、主部材と副部材とを構造的に一体化するような締結構造体を得ることはできなかった。

特開平０７−２１６９８７号公報 特開平０５−２１４８８７号公報

そこで、この発明は、スタッドボルトを用いて、構造物を構成する平板状の主部材と副部材とを構造的に一体化することができる締結構造体を提供することを目的とする。

この発明は、構造物を構成する平板状の主部材に対して、副部材を固定するとともに、前記主部材と前記副部材とを一体化する締結構造体であって、前記主部材の所定箇所に植設したスタッドボルトを、前記副部材に設けたボルト孔に貫通させるとともに、貫通した前記スタッドボルトに、ワッシャを介して、ナットを螺合し、該ナットの螺合によって前記スタッドボルトに軸力を作用させて、前記主部材と前記副部材とを摩擦接合することを特徴とする。

上述の構造物を構成する平板状の主部材は、構造物における構造部材となる部材であり、所定の剛性を有する板部材とすることができる。また、該主部材に植設するスタッドボルトは、構造部材である主部材に副部材を締結して構造的に一体化するため、例えば、Ｍ１６以上の太径のスタッドボルトとする。なお、上述の一体化は、スタッドボルトによって摩擦接合された主部材と副部材とが、一部材として評価できるように摩擦接合された状態であることを含む概念である。

この発明により、構造物を構成する平板状の主部材と副部材とを、摩擦接合により構造的に一体化することができる。
詳述すると、スタッド溶接によって構造物を構成する平板状の主部材に植設したスタッドボルトにナットを螺合して軸力を導入するため、締結された主部材と副部材とが摩擦接合し、構造的に一体化すると評価できる締結構造体を実現することができる。

この発明の態様として、前記スタッドボルトを、ボルト軸部と、該ボルト軸部を前記主部材の所定箇所に植設するスタッド溶接部とで構成し、該スタッド溶接部を、前記ボルト軸部の径及び強度に応じた大きさに設定することができる。

上記ボルト軸部は、いわゆるスタッドやスタッドネジといわれるスタッドボルトを構成する主たる部材であり、スタッド溶接部は、スタッド溶接によってボルト軸部と主部材とが溶融して形成される部分であり、いわゆるフラッシュ、カラーあるいは余盛部といわれる部分である。

上述の「スタッド溶接部を、前記ボルト軸部の径及び強度に応じた大きさに設定する」は、引っ張り力が作用するスタッドボルトにおいて、スタッド溶接部より前記ボルト軸部が先に破断するようにスタッド溶接部の大きさを設定する概念である。

この発明により、前記ボルト軸部の径及び強度に応じた大きさに設定されたスタッド溶接部を備えることで、スタッドボルトに確実に軸力を導入して、主部材と副部材とを摩擦接合し、構造的に一体化すると評価できる締結構造体を実現することができる。

またこの発明の態様として、一体化した主部材及び副部材に対して作用する設定荷重に対して、前記ボルト軸部の径及び強度に応じた大きさに設定された前記スタッド溶接部の強度、及び前記主部材と前記副部材とのすべり係数に応じて、前記スタッドボルトを配置することができる。

この発明により、複数のスタッドボルトを用いる締結構造において、ボルト軸部の径や強度、前記主部材に対する前記スタッド溶接部の取付強度、並びに前記主部材と副部材とのすべり係数に基づいて、スタッドボルトの設置間隔を設定することで、様々な条件下であっても、所定の強度を有するとともに、確実に一体化することができる締結構造体を構成できる。

またこの発明の態様として、少なくとも前記副部材における前記ボルト孔の周辺を板状で構成するとともに、前記スタッド溶接部の高さが、前記副部材における板状部分の厚みより高い場合、前記ワッシャを、前記副部材側に配置され、前記スタッド溶接部の貫通を許容する挿通孔を有する第１ワッシャと、前記ナット側に配置され、前記スタッド溶接部の外径より小さく、前記ボルト軸部の貫通を許容する挿通孔を有する第２ワッシャとを重ねて構成することができる。

この発明により、前記ボルト軸部の径及び強度に応じた大きさに設定したスタッド溶接部の高さが、前記副部材における板状部分の厚みより高い場合であっても、あるいはスタッド溶接部のナット側表面に不陸がある場合であっても、鉛直方向にスタッド溶接部とワッシャとが接しないため、複数枚のワッシャを介して、確実にスタッドボルトに軸力を導入して、所定の摩擦強度が生じ、確実な摩擦接合を実現することができる。なお、スタッド溶接部の高さに応じて、複数枚の第１ワッシャを装着してもよい。

またこの発明の態様として、前記スタッドボルトを、前記主部材の底面において、下向きに植設することができる。
この発明により、構造物を構成する平板状の主部材の底面から下向きに突出するように植設されたスタッドボルトに対してナットを螺合するだけで締結構造体を構成できるため、例えば、供用中の高架道路の下面において、補強板を取り付けて補強する場合であっても、底面側からの施工のみで補強構造を構成でき、通行止め等の交通規制や舗装面を除去する必要がなく、低コストかつ効率的に施工することができる。

この発明によれば、スタッドボルトを用いて、構造物を構成する平板状の主部材と副部材とを構造的に一体化することができる締結構造体を提供することができる。

スタッド締結構造体の拡大図。 スタッド締結構造体の分解斜視図。 スタッド締結構造体の説明図。 複数本のスタッドボルトを用いたスタッド締結構造体の説明図。 片面すべり係数試験についての説明図。 引張疲労試験についての説明図。

この発明の一実施形態を以下図面と共に説明する。
なお、図１はスタッドボルト１０を用いた締結構造体（以下において、スタッド締結構造体１という）の断面図を示し、図２はスタッド締結構造体１の分解斜視図を示し、図３はスタッド締結構造体１の施工順序についての説明図を示している。

スタッド締結構造体１は、スタッドボルト１０によって、構造物を構成する平板状の主板材２と副板材３とを締結した締結構造体であり、Ｍ１６以上の太径のスタッドボルト１０、第１ワッシャ４０、第２ワッシャ５０及び固定ナット６０とで構成している。
スタッド締結構造体１を構成するスタッドボルト１０は、いわゆるスタッドやスタッドネジといわれるボルト軸部２０と、主板材２にボルト軸部２０を植設してなる、いわゆるフラッシュ、カラーあるいは余盛部といわれるスタッド溶接部３０とで構成している。

ボルト軸部２０に形成されるネジ部２１は、少なくとも後述する副板材３とワッシャ４０，５０とを重ねた高さでナット締結できるよう、ネジ山が設けられていればよい。
主板材２及び副板材３は、主に鋼板で構成されるほか、主板材２は鋼製箱桁、鋼床版等の鋼構造物であってもよく、副板材３はＦＲＰやＵＦＣ等どのような素材を用いるものであってもよい。

スタッドボルト１０を構成するスタッド溶接部３０は、主板材２の表面２ａとボルト軸部２０の端部とが溶融して形成された部分であり、図示省略するフェルールで囲まれた状態で、スタッド溶接機で溶接することによって形成されるが、スタッドボルト１０の径及び強度に応じた大きさに形成している。詳しくは、主板材２の表面２ａに植設したスタッドボルト１０に引っ張り力を作用させた場合、スタッド溶接部３０より先にボルト軸部２０が破断するような大きさに設定している。
そのため、主板材２に固定する副板材３に設けたボルト孔３ａは、スタッド溶接部３０の貫通する径で形成している。

第１ワッシャ４０、第２ワッシャ５０は、高力ボルト用座金で構成する平型ワッシャであるが、径大な第１ワッシャ４０の固定ナット６０側に径小な第２ワッシャ５０を配置している。

詳述すると、第１ワッシャ４０は、副板材３のボルト孔３ａより径大な外径と、スタッドボルト１０のスタッド溶接部３０より径大な内径を有するリング状である。
第２ワッシャ５０は、第１ワッシャ４０の内径より径大な外径と、スタッドボルト１０のボルト軸部２０より径大で、第１ワッシャ４０の外径より径小な内径を有するリング状である。なお、第１ワッシャ４０の下面と第２ワッシャの上面は、後述する軸力の伝達を効果的なものとするため、可能な限り接触面積を大きくすることが望ましい。

このように構成することにより、スタッドボルト１０のスタッド溶接部３０の高さが、副板材３の厚みより高く、スタッド溶接部３０の上部が副板材３より露出する場合であっても、露出するスタッド溶接部３０の周りに第１ワッシャ４０を配置し、さらにその固定ナット６０側に第２ワッシャ５０を配置することとなる。

そのため、露出するスタッド溶接部３０の上部に不陸がある場合であっても、鉛直方向にスタッド溶接部３０と第１ワッシャ４０及び第２ワッシャ５０とが接することなく、固定ナット６０による締結力を確実にスタッドボルト１０に作用させ、スタッドボルト１０に軸力を導入することができる。

なお、スタッド溶接部３０の高さが副板材３の厚みより低く、副板材３の表面側にスタッド溶接部３０が露出しない場合は、第１ワッシャ４０を用いず、第２ワッシャ５０のみ用いればよい。また、スタッド溶接部３０の高さが高く、副板材３の表面に露出する高さが高い場合、複数の第１ワッシャ４０を重ねて配置してから第２ワッシャ５０を配置してもよい。
固定ナット６０は、ボルト軸部２０のネジ部２１と螺合するナットである。

このようなスタッド締結構造体１においてスタッドボルト１０を主板材２に固定するためには、図３（ａ）に示すように、まず、主板材２の表面２ａにおける所定箇所に、上向きに突出するようにスタッドボルト１０を配置し、図３（ｂ）に示すように、スタッド溶接機（図示省略）でボルト軸部２０を溶接して植設する。このスタッド溶接機による溶接によって、主板材２の表面２ａとボルト軸部２０の端部とが溶融してスタッド溶接部３０が形成される。

このようにして植設されたスタッドボルト１０に対して、図３（ｃ）に示すように、ボルト孔３ａを貫通させて副板材３を取付け、第１ワッシャ４０及び第２ワッシャ５０を装着してから、固定ナット６０を螺合して、スタッド締結構造体１を構成する（図１参照）。

なお、このように構成したスタッド締結構造体１の締結強度を評価するために行った片面すべり係数試験について、図５とともに説明する。
すべり試験は、スタッドボルトを用いた片面接合継手の摩擦面のすべり係数を確認することにより、スタッドボルトによる締結構造が摩擦接合され、締結された構造体が一体化されていることを確認する。

具体的には、図５に示すように、板状の母材（主板材）に対して、スタッドボルトを植設し、スタッドボルト及びナットで添接板（副板材）を挟持することにより締結した供試体を引っ張り試験に取り付け、すべりが発生するまで荷重を徐々に増加させ、すべりが生じたときの荷重であるすべり荷重に基づいてすべり係数を算出した。

なお、供試体は、母材としてＳＭ４００の１２ｍｍ材を用い、添接板として、ＳＳ４００の９ｍｍ材を用い、ＨＴ５７０のＭ２２×６０のスタッドボルトと、等級がＦ１０でＮＵＴ３３Ｃのナットと、等級がＦ３５でＳ４５Ｃの座金とを用いて構成している。

また、供試体の摩擦面処理として、母材にはRzjis20となるようにスイープブラスト処理を施し、添接板には無機ジンクリッチペイントを７５μｍ塗装したＮＯ．４とＮＯ．５の二つの供試体を試験対象とした。これらの供試体を用いた試験結果を以下の表に示す。

上述の試験結果を示す表１から分かるように、スタッドボルトによって締結された母材と添接板とは、十分なすべり荷重を得ており、摩擦接合として機能していることが確認できた。

次に、スタッドボルトが植設された母材（主板材）の疲労強度、およびスタッドボルトへの軸力導入の有無による母材（主板材）の疲労強度に及ぼす影響を確認するために行った引張疲労試験について図６とともに説明する。

供試体は、厚さ１２ｍｍの鋼板で構成する母材（主板材）にＭ２２スタッドボルトを植設し、厚さ１６ｍｍ、ボルト孔φ３２の正方形板（副板材）をスタッドボルト及びナットで締め付けたものを用いている。母材はＳＭ４９０ＹＡ、正方形板はＳＳ４００、スタッドボルトにはＨＴ５７０を用いた。試験ケースは、スタッドボルトに軸力導入をしたものをＣａｓｅ１、導入をしないものをＣａｓｅ２とした。さらに、軸力導入による摩擦の影響を排除し、正方形板が荷重分担しないように、母材と正方形板の間に樹脂およびグリース・鋼球を塗布したものをＣａｓｅ３とした。

図６に示すように、供試体に所定の負荷（１００Ｎ／ｍｍ^２、１２５Ｎ／ｍｍ^２、１５５Ｎ／ｍｍ^２）を繰り返し与えた結果、全ての試験ケースにおいて概ねＥ等級を上回る疲労強度を確認することができた。また、軸力が導入され、かつ、摩擦力を軽減しない方が疲労強度は高く、特に軸力を導入したスタッドにより正方形板を固定する場合（Ｃａｓｅ１）、疲労強度は低下しないことが確認できた。

これらの試験から、主板材２に植設されたスタッドボルト１０によって主板材２と副板材３とが締結されたスタッド締結構造体１では、摩擦接合機能を有するとともに、スタッドボルト１０を植設したこと、あるいは植設したスタッドボルト１０に軸力を導入したことによる主板材２の疲労強度低下が生じず、スタッドボルト１０により主板材２と副板材３とを締結したスタッド締結構造体１は構造的に一体化していると評価することができることが確認できた。

なお、このように構成するスタッド締結構造体１において、例えば、図４に示すように複数本のスタッドボルト１０を用いて構成する場合、スタッド締結構造体１に作用するものとして設定する設計荷重に対して、ボルト軸部２０の径及び強度、及び主板材２に対するスタッドボルト１０の取付強度、すなわちスタッド溶接部３０の強度、さらには、主板材２と副板材３とのすべり係数に基づいて設置間隔や配置を設定する。

具体的には、ボルト軸部２０の材質及び断面径、並びにスタッド溶接部３０の大きさに基づいて定まる設計ボルト軸力と、主板材２と副板材３とのすべり係数と、安全率とに基づいて限界摩擦力を算定し、限界摩擦力と設計荷重によるせん断力とに基づいて、図４（ａ）に示すようにピッチｐで配置したり、図４（ｂ）に示すようにピッチｐ及び間隔ｗで配置したりするように、スタッドボルト１０の設置間隔を設定する。

このように、構造物を構成する平板状の主板材２に対して、副板材３を固定するとともに、主板材２と副板材３とを一体化するスタッド締結構造体１は、主板材２の所定箇所に植設したスタッドボルト１０を、副板材３に設けたボルト孔３ａに貫通させるとともに、貫通したスタッドボルト１０に、ワッシャ４０，５０を介して、固定ナット６０を螺合し、固定ナット６０の螺合によってスタッドボルト１０に軸力を作用させて、主板材２と副板材３とを摩擦接合している。

また、スタッドボルト１０を、ボルト軸部２０と、ボルト軸部２０を主板材２の所定箇所に植設してなるスタッド溶接部３０とで構成し、スタッド溶接部３０を、ボルト軸部２０の径及び強度に応じた大きさに設定することで、スタッドボルト１０に確実に軸力を導入して、主板材２と副板材３とを摩擦接合している。

そのため、スタッド溶接によって主板材２に植設したスタッドボルト１０に固定ナット６０を螺合して軸力を導入し、締結された主板材２と副板材３とが摩擦接合し、構造的に一体化すると評価できる締結構造体を実現することができる。

なお、スタッドボルト１０の径及び強度に応じた大きさに形成したスタッド溶接部３０が十分な静的強度と疲労耐久性とを兼ね備えているため、固定ナット６０を螺合することによって、スタッドボルト１０に軸力を導入して確実な摩擦接合を実現することができる。

また、スタッド溶接部３０の高さが、副板材３における板状部分の厚みより高い場合、副板材３側に配置され、スタッド溶接部３０の貫通を許容する挿通孔を有する第１ワッシャ４０と、固定ナット６０側に配置され、スタッド溶接部３０の外径より小さく、ボルト軸部２０の貫通を許容する挿通孔を有する第２ワッシャ５０とを重ねて装着しているため、垂直方向にスタッド溶接部３０とワッシャ４０，５０とが接することなく、仮に、スタッド溶接部３０の表面に不陸があった場合であっても、確実にスタッドボルト１０に軸力を導入して、所定の摩擦強度を発現できる摩擦接合を実現することができる。なお、スタッド溶接部３０の高さに応じて、複数枚の第１ワッシャ４０を装着してもよいし、もちろん、スタッド溶接部３０の高さが低い場合は第２ワッシャ５０のみを装着しても同様の効果を奏する。

また、図４に示すように、一体化したスタッド締結構造体１に対して作用する設計荷重に対して、ボルト軸部２０の径及び強度に応じた大きさに設定されたスタッド溶接部３０の強度、及び主板材２と副板材３とのすべり係数に応じた設置間隔や配置で、複数本のスタッドボルト１０を配置することにより、様々な条件下であっても、所定の強度を有するとともに、確実に一体化することができる締結構造体を構成できる。

この発明の構成と、上述の実施形態との対応において、
この発明の締結構造体は、スタッド締結構造体１に対応し、
以下同様に、
ナットは、固定ナット６０に対応し、
設定荷重は、設計荷重に対応するも
この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。

たとえば、スタッドボルト１０が下向きに突出するようにボルト軸部２０を主板材２の底面にスタッド溶接して植設させてもよく、上向きのスタッド溶接では、フェルールを用いることにより、耐久性のある、確実な強度を有するスタッド溶接部３０を形成することができる。

したがって、スタッドボルト１０を用いたスタッド締結構造体１では、耐久性のある、確実な強度を有する締結構造を構成することができる。なお、このように下向きに突出するようなスタッドボルト１０は、固定ナット６０を螺合するだけでスタッド締結構造体１を構成できるため、例えば、供用中の高架道路の下面において、通行止め等の交通規制を行うことなく、また、舗装面を除去することなく、低コストかつ効率的に施工することができる。

１…スタッド締結構造体
２…主板材
３…副板材
３ａ…ボルト孔
１０…スタッドボルト
２０…ボルト軸部
３０…スタッド溶接部
４０…第１ワッシャ
５０…第２ワッシャ
６０…固定ナット

Claims (6)

1. 構造物を構成する平板状の主部材に対して、副部材を固定するとともに、前記主部材と前記副部材とを一体化する締結構造体であって、
   前記主部材の所定箇所に植設したスタッドボルトを、前記副部材に設けたボルト孔に貫通させるとともに、貫通した前記スタッドボルトに、ワッシャを介して、ナットを螺合し、該ナットの螺合によって前記スタッドボルトに軸力を作用させて、前記主部材と前記副部材とを摩擦接合した
   締結構造体。
2. 前記スタッドボルトを、ボルト軸部と、該ボルト軸部を前記主部材の所定箇所に植設するスタッド溶接部とで構成し、
   該スタッド溶接部を、
   前記ボルト軸部の径及び強度に応じた大きさに設定した
   請求項１に記載の締結構造体。
3. 一体化した前記主部材及び前記副部材に対して作用する設定荷重に対して、
   前記ボルト軸部の径及び強度に応じた大きさに設定された前記スタッド溶接部の強度、及び前記主部材と前記副部材とのすべり係数に応じて、前記スタッドボルトを配置した
   請求項２に記載の締結構造体。
4. 少なくとも前記副部材における前記ボルト孔の周辺を板状で構成するとともに、
   前記スタッド溶接部の高さが、前記副部材における板状部分の厚みより高い場合、
   前記ワッシャを、
   前記副部材側に配置され、前記スタッド溶接部の貫通を許容する挿通孔を有する第１ワッシャと、
   前記ナット側に配置され、前記スタッド溶接部の外径より小さく、前記ボルト軸部の貫通を許容する挿通孔を有する第２ワッシャとを重ねて構成した
   請求項２又は３に記載の締結構造体。
5. 前記スタッドボルトを、前記主部材の底面において、下向きに植設した
   請求項１乃至４のうちいずれかに記載の締結構造体。
6. 構造物を構成する平板状の主部材に対して、副部材を固定するとともに、前記主部材と前記副部材とを一体化する締結方法であって、
   前記主部材の所定箇所に植設したスタッドボルトを、前記副部材に設けたボルト孔に貫通させるとともに、貫通した前記スタッドボルトに、ワッシャを介して、ナットを螺合し、該ナットの螺合によって前記スタッドボルトに軸力を作用させて、前記主部材と前記副部材とを摩擦接合する
   締結方法。