JP2018172861A - 構造体鋼管用平行ねじ継手 - Google Patents

Abstract

【課題】回転角度を少なくして作業効率を向上すると共に強度や剛性に方向性のない構造体鋼管用平行ねじ継手を得る。【解決手段】本発明に係る構造体鋼管用平行ねじ継手１は、構造体を構成する鋼管の接合に用いられる構造体鋼管用平行ねじ継手１であって、嵌合するねじ山数Ｍとねじ条数Ｎとの関係がＭ／Ｎ≦0.5に設定されると共に、Ｍ≦４であり、嵌合するねじ山数がＭと異なる範囲が、継手周方向長さに対して所定割合以下に設定されていることを特徴とするものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、土木、建築分野における鋼管杭、鋼管矢板、柱材などの構造体を構成する鋼管の接合に用いられる構造体鋼管用平行ねじ継手に関する。

鋼管杭や鋼管矢板、柱材などの構造体を構成する鋼管（以下、「構造体鋼管」という）の接合は溶接接合によることが一般的であるが、火気が使えない場合や接合時間を短縮する必要がある場合などには、例えば特許文献１、２に開示されているような機械式継手が用いられるケースが増えている。

従来の構造体鋼管用平行ねじ継手は、一般に構造体を構成する部材として圧縮力、曲げ、引張力に対して接続される鋼管と同等以上の耐力が要求されるとともに、通常１回転以上回転させて締結がなされるようねじ山数、ねじピッチ、条数などのねじ仕様の設定がなされている。

特許３７４７５９４号公報 特許４０００９３０号公報

しかしながら、近年、構造体鋼管のサイズがφ700mm以上となるような大径化が進んでおり、このような大径の構造体鋼管を平行ねじ継手で接合した場合、従来のように締結に際して１回転以上回転させることの作業負荷の増大あるいは、回転させることそのものが困難なケースがみられるようになってきた。以下、この点を具体的に説明する。

図９は、杭打機２１で鋼管杭を施工する際の作業の様子を示している。ねじ継手２３を取り付けた鋼管（以下、「ねじ継手付鋼管２５」という）を回転接合する際、通常、ねじ継手付鋼管２５に回転トルクを与えるための回転バンド２７と回転棒２９を取り付けるが、鋼管が大径になるにしたがって、回転させるために大きなトルクが必要となり、所定のトルクを与えるために回転棒２９を長くする必要が生じる。しかし、回転棒２９を長くした場合、回転作業の際に回転棒２９が杭打機２１に接触してしまうため、回転棒２９のセット位置を付け替え直すかもしくは杭打機２１を回転棒２９に接触しない位置まで退避しなくてはならず、作業性の低下につながるという問題がある。

上記の課題に対する解決策としては、ねじ継手２３の締結に至る回転量を半回転以下にすることで回転棒２９のセット位置の付け替えをなくして作業性を向上することが可能である。
条数がＮで嵌合するねじ山数がＭの場合、嵌合完了までの回転数はＭ／Ｎで規定されるので、ねじの回転数を減らすには条数を増やすか、ねじ山数を減らす必要があり、回転量を半回転以下にするにはＭ／Ｎ≦０．５にすることが必要である。
なお、Ｍ、Ｎは自然数であるため、ここでは条数Ｎは２以上、ねじ山数Ｍは１以上となる。

条数が多いほど嵌合のための回転量を減らすことが出来るが、一方で条数を多くすると加工が難しくなるため、例えばφ700mmの継手の場合、通常は８条程度以下が望ましい。８条ねじで回転数を０．５とすれば、Ｍ／８＝０．５からＭ＝４となり、嵌合する山数の最大が４山となる。なお、４条ねじの場合には、Ｍ／４＝０．５からＭ＝２となり、嵌合する山数は２山となる。
このように嵌合する山数が少なくなると、鋼管杭のような構造体鋼管の接合に用いるねじ継手のように軸直交方向でかつ周方向の多方向から応力が作用する場合には、以下のような問題がある。

図１０はねじ継手３１（ここでは、図を見やすくするため、１条ねじで、ねじ山数が６山存在するものを図示している。）を模式的に示したもので、図１０（ａ）が雄継手３３、図１０（ｂ）が雌継手３５（全体は図示せず）のねじ部を示している。なお、図１０において、雄継手３３のねじ山（雄ねじ山３７）を白抜きの平行四辺形で示し、雌継手３５のねじ山（雌ねじ山３９）を黒塗りの平行四辺形で示している。このねじ山の図示方法は、他の図においても同様である。
このねじ継手３１の嵌合完了状態を図１１に示している。周方向に見た場合、嵌合する山数はほとんどのところで５山となっているが、図１１（ａ）は嵌合する山数が少ないところがある場合（４山のところが存在する）を示し、図１１（ｂ）は嵌合する山数が多いところがある場合（６山のところが存在する）を示している。これらの状態は、ねじの切削長さやねじ切りの開始位置などの影響を受け、構造体鋼管の継手では一般的にはそれほど厳密には管理されておらず、嵌合する山数が５山として扱われている。

ねじ継手３１では嵌合完了状態において嵌合する山数が周方向で異なることになるが、図１１に示すように山数が多い場合には周方向における嵌合数の違いは鋼管杭の性能にさほど影響を与えることはない。つまり、嵌合する山数が少ない場合でも多い場合の（４/５）×100％＝80％であり、嵌合する山数の全体に対する割合の差異が少ない。

しかしながら、図１２に示すように、嵌合する山数が２山のねじ継手４１の場合には２山嵌合の部分と１山嵌合の部分が生じ、嵌合する山数が多いところと少ないところでの差異が極端（少ないところは多いところの50％）になってしまい、その影響が無視できなくなり、ねじ継手４１の強度や剛性に方向性が生じて構造体鋼管の継手として望ましくない。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、回転角度を少なくして作業効率を向上すると共に強度や剛性に方向性の少ない構造体鋼管用平行ねじ継手を得ることを目的としている。

（１）本発明に係る構造体鋼管用平行ねじ継手は、構造体を構成する鋼管の接合に用いられるものであって、嵌合するねじ山数Ｍとねじ条数Ｎとの関係がＭ／Ｎ≦0.5に設定されると共に、Ｍ≦４であり、嵌合するねじ山数がＭと異なる範囲が、継手周方向長さに対して所定割合以下に設定されていることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、嵌合開始部にある雄ねじ山及び雌ねじ山の不完全ねじ部が除去されていることを特徴とするものである。

（３）また、上記（２）に記載のものにおいて、前記不完全ねじ部を除去した部位に逆回転防止金具の設置位置が設定されていることを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、ねじ山の嵌合効率が0.6以上を満たすようにねじ山高さ及びねじ山のクリアランスが設定されていることを特徴とするものである。

（５）また、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のものにおいて、ねじリード角θが、θ≦5.7°を満足するよう設定されていることを特徴とするものである。

本発明においては、構造体に用いられる構造体鋼管用平行ねじ継手であって、嵌合するねじ山数Ｍとねじ条数Ｎとの関係がＭ／Ｎ≦0.5に設定されると共に、嵌合するねじ山数が４以下であり、嵌合山数がＭと異なる範囲が、継手周方向長さに対して所定割合以下に設定されていることにより、構造体鋼管の接合に際して回転量を少なくして作業効率を向上できると共に強度や剛性に方向性の少ない構造体鋼管用平行ねじ継手が得られる。

本発明の一実施の形態の構造体鋼管用平行ねじ継手の説明図である。 本発明の一実施の形態の構造体鋼管用平行ねじ継手の備えるべき条件を説明するための説明図である（その１）。 本発明の一実施の形態の構造体鋼管用平行ねじ継手の備えるべき条件を説明するための説明図である（その２）。 本発明の一実施の形態の構造体鋼管用平行ねじ継手の備えるべき条件を説明するための説明図である（その３）。 本発明の一実施の形態の構造体鋼管用平行ねじ継手のより好ましい態様の説明図である（その１）。 本発明の一実施の形態の構造体鋼管用平行ねじ継手における嵌合山数がＭと異なる範囲について説明する図である。 本発明の一実施の形態の構造体鋼管用平行ねじ継手のより好ましい態様の説明図である（その２）。 本発明の一実施の形態の構造体鋼管用平行ねじ継手のより好ましい態様の説明図である（その３）。 本発明が解決しようとする課題の説明図である（その１）。 本発明が解決しようとする課題の説明図である（その２）。 本発明が解決しようとする課題の説明図である（その３）。 本発明が解決しようとする課題の説明図である（その４）。

本発明の一実施の形態に係る構造体鋼管用平行ねじ継手１は、土木、建築分野における鋼管杭、鋼管矢板、柱材などの構造体に用いられるものであって、図１に示すように、雄継手３と雌継手５の嵌合するねじ山数Ｍとねじ条数Ｎとの関係がＭ／Ｎ≦0.5に設定されると共に、嵌合山数が４山以下であり、嵌合山数がＭと異なる範囲が、継手周方向長さに対して所定割合（本例では、１０％）以下に設定されていることを特徴とするものである。なお、図１の例は、雄継手３における雄ねじ山７と雌継手５における雌ねじ山９がそれぞれ２山の４条ねじの例である。
以下、構造体鋼管用平行ねじ継手１の各構成要件について詳細に説明する。

＜ねじ山数Ｍとねじ条数Ｎとの関係＞
嵌合するねじ山数Ｍとねじ条数Ｎとの関係は、Ｍ／Ｎ≦0.5に設定されており、Ｍは２で４以下となっている。このように設定することで、回転量（回転角度）を半回転（180度）以内にしてねじを締め込むことができる。これによって、前述したような大径の杭に適用した場合において、回転棒のセット位置の付け替えや杭打機の退避が不要となり、作業性を向上することができる。

ねじの嵌合開始点は、不完全ねじ部がある場合、嵌合の起点が不完全ねじ部の開始位置からになってしまうため、ねじの回転量を少なくする観点からは、不完全ねじ部は除去することが好ましい。なお、継手の力学性能面では、不完全ねじ部はねじ山形状が不完全である分、力学伝達性能が劣ることから、除去したとしても力学性能への影響は小さい。

図２に示す破線の丸で囲んだ部分が嵌合開始位置にある雄ねじ山７及び雌ねじ山９の不完全ねじ部であるが、これがある場合に、ねじの回転量が多くなることを図３、図４に基づいて説明する。図３、図４はねじを展開して模式的に示す図であり、図３が不完全ねじ部が有る場合、図４が不完全ねじ部を除去した場合の嵌合完了状態を示している。図３と図４は共に完全ねじ部の嵌合長さは同じであるが、図３の場合の回転長はａであり、図４の場合の回転長はａよりも短いｂとなる。

不完全ねじ部を除去した部位に逆回転防止金具の設置位置が設定されていることがさらに好ましい。
図５（ａ）は、雄継手３において不完全ねじ部を除去した部位に逆転防止金具としてピンが挿入されるピン挿入孔１１を設けたものである。
逆回転防止金具の設置位置に関し、従来は図５（ｂ）に示すように、雄ねじ山７が形成された部位のさらに先端側に設けられていたために、継手長が長くなり、その分だけ継手製造に使用する鋼材量が増加するとともに、ねじ加工における切削加工長も長くなってしまい、コストアップにつながっていた。
これに対して、図５（ａ）に示したように、不完全ねじ部を除去した部位に逆回転防止金具の設置位置を設けることで、継手長さを長くする必要がなくなり経済的な構造にすることが出来る。

＜嵌合山数がＭと異なる範囲＞
本実施の形態の構造体鋼管用平行ねじ継手１は、嵌合山数がＭと異なる範囲が継手周方向長さの１０％以下に設定されている。
嵌合山数がＭと異なる範囲について、図１に示す４条ねじ（山数Ｍ＝２）について説明する。
この例では嵌合山数は、１山の部分と２山の部分があるので、図１において、嵌合山数がＭと異なる範囲は、１山嵌合区間として示す範囲であり、この範囲が全周長の１０％以下に設定されている。

嵌合山数がＭと異なる範囲を全周長の１０％以下にすることで、強度や剛性に方向性が緩和され、継手としての性能を十分に発揮できる。
この理由について、分かりやすい例として、図６に示すように、構造体鋼管用平行ねじ継手１で接合された鋼管が曲げを受ける場合を例に挙げて説明する。図６（ｂ）は鋼管に曲げが作用した状態を示し、図６（ａ）は図６（ｂ）の矢視Ａ−Ａ部（構造体鋼管用平行ねじ継手１の断面）の応力状態を示している。

構造体鋼管用平行ねじ継手１が曲げを受けた場合、引張縁や圧縮縁の部位が最も厳しい状態になるので、図６に示すように、引張縁や圧縮縁に嵌合山数がＭと異なるところが位置すると、強度や剛性への影響が大きい。もっとも、ねじ山は周方向に連続しているため、Ｍと異なる範囲が狭ければ、実際には周囲（嵌合山数が所定数Ｍのところ）の影響を受け、大きな違いが生じない。そして、このような大きな違いが生じないためには、嵌合山数がＭと異なる範囲の全周長に対する割合が１０％以下であればよい。もっとも、この割合は、接合される鋼管の用途や、使用態様等によって変わることがあり、予め定めた所定割合以下に設定すればよい。

なお、上記の割合が例えば全周長の１０％以下ということはＮ条のねじの場合は、１条当たり10/N%以下ということであり、条数が多いほど１条当たりの範囲は狭くなり、より違いが生じにくくなる。
例えばΦ1000mmの８条ねじで、１条当たりの範囲長さを鋼管外周長で考えると、1000π×10/8/100≒39mmである。
実際のねじの加工公差を考えると、嵌合時の回転量がこの程度ばらつくことは容易に発生するため、10%以下にコントロールするためには、ねじ加工後に一度嵌め合わせた上で、ねじの嵌合長さを調整することが望ましい。

ねじ部に作用する曲げ、引張外力に対しては、ねじ山数が少なくなるにつれてねじ山を介して伝わる応力の分散効果は小さくなり、ねじ山が多い場合に比べて小さな作用荷重でねじ山部又はねじ底部が局所的に降伏あるいは塑性化してしまう傾向がみられる。ねじ山部あるいはねじ山底部に降伏あるいは塑性化が生じてしまうとねじ部径が広がろうとする変形が生じ、ねじ山の噛み合わせ量が急激に低下し、それに伴いねじ耐力も一気に低下し、ねじ外れに至る。
このような観点から、山数が４山以下の場合には、ねじ山のクリアランスは小さい方が好ましい。

一方、鋼管杭用に用いるような構造体鋼管用平行ねじ継手では、継手部の材質に高強度材を使用することや、ねじ加工後の必要板厚確保の観点から、鋼管に直接ねじ切り加工することはなく、ねじ継手を別途製作して、鋼管管端とねじ継手の片側を工場溶接して用いられることが一般的である。
この時、鋼管とねじ継手の溶接熱影響によりねじ継手に微小変形が生じる。このため、ねじ寸法は、鋼管との溶接取付後もねじの嵌合性を確保するために、雄ねじ山と雌ねじ山間に予めクリアランスを設定しておく必要がある。ただし、クリアランスを大きくするにつれて、上述のように、ねじの嵌合効率（噛み合わせ量）が減少してしまい、曲げや引張外力に対して外れやすい継手になってしまう。
従来、嵌合するねじ山数が５以上のねじ継手において、ねじの嵌合効率を0.5程度以上になるよう、ねじ山高さやねじ山間のクリアランスを設定がなされていたが、本発明では、Ｍ／Ｎ≦0.5かつＭ≦４を満足することを前提とするため、条件が異なる。該当する構造体鋼管用平行ねじ継手について実験を重ねた結果、ねじの嵌合効率0.6以上、より望ましくは0.7以上になるよう断面設定する必要があることを見出した。

図７はこの嵌合効率を説明する説明図であり、図７（ａ）は雄継手３の雄ねじ山７と雌継手５の雌ねじ山９とがねじ中央で嵌合している状態を示し、図７（ｂ）は雄ねじ山７が図中上方に最もずれた状態を示している。
嵌合率は、図７（ｂ）において、ねじ山高さをｈ、噛み合わせ量をｆとしたとき、ｆ/ｈであり、この値が0.6以上が好ましく、より好ましくは0.7以上である。

なお、クリアランスの大きさは、一般的に継手部の径が大きいほど大きくする必要があるが、継手によって連結される鋼管の径をＤ、雌継手５のねじ山底内径Ｄbi、雄継手３のねじ山での外径Ｄpoとしたときに、クリアランスはＤbi−Ｄpoとなり、この値がＤの0.10〜0.30%に設定するのが好ましい。

＜ねじリード角θ＞
また、ねじリード角θが、θ≦5.7°を満足するよう設定されていることが好ましい。この理由は以下の通りである。
ねじの回転量を少なくするためにねじの多条数化やねじピッチを大きくするにつれて、ねじのリード角が大きくなる。ねじのリード角が大きくなりすぎると曲げや引張力など継手部軸方向に引張力が作用する場合に緩んでしまい力の伝達機能が得られないことが考えられる。

ここで継手部軸方向に引張力が作用する場合のねじ山部での力の分力を模式的に図８に示す。
ねじ山の接触部どうしの摩擦係数は、ねじの材料である鋼材どうしの摩擦係数μとしてμ≧0.10程度である。この摩擦係数を用いて、継手部軸方向に引張力が作用してもねじが動き出さないの条件としては、［ねじ山面どうしの摩擦抵抗力］≧［ねじ山平行方向への分力］であり、μ×Pcosθ≧Psinθとなる。
これより、μ≧sinθ／cosθ＝tanθとなり、μ＝0.1（潤滑材を塗布した金属面どおしの摩擦係数）とすると、0.1≧tanθとなり、θ≦5.71°以下であれば良いことが分かる。
つまり、リード角がθ≦5.7°を満足すれば継手軸方向に引張力が作用する場合でも継手の締結は保持され、構造体鋼管用平行ねじ継手１としての性能が保持されることが可能となる。

もっとも、θ＞5.7°の場合であっても継手管軸方向に引張力が作用した場合にねじが外れようとする力に応じて必要耐力を有する逆回転防止金具が具備されていれば、ねじは外れることなくねじ山を介して力の伝達が期待できる。
逆回転防止金具としては、主にピンやボルトなどの丸型鋼材が取付易く適しているが、マシンキーに見られるような角型鋼材を用いても良い。

＜継手管の最大板厚について＞
構造体鋼管用平行ねじ継手に用いる継手管の最大板厚として、杭径の2.5〜5.0%が望ましい。これは、ねじを鋼管への溶接取付時の変形抑止効果や運搬時の真円度変形抑止効果から少なくとも2.5%程度あることが望ましく、一方で板厚があまり厚くなりすぎると杭径に対してねじの嵌合位置での径が小さくなりねじ山に偏心荷重が作用しやすくなることや、杭内径側への突出が大きくなりすぎると鋼管中空部にオーガスクリューなどの施工治具の挿入時の支障になってしまうため、杭径の5.0%以下にとどめておくことが良い。
・ねじ継手板厚を杭径の2.5〜5.0%とする場合、鋼管としては、主に引張強さTS=400〜590N/mm²級の鋼管を対象とする場合、ねじ継手に用いる鋼材についてはTS=780N/mm²以上の強度を有する材料を用いる

＜ねじ山形状＞
ねじ山の形状に関しては、力の伝達性を考慮して台形ねじもしくは角ねじが望ましい。また、ねじ山高さhとねじ底幅Bとの関係は、h≦2Bを満足することが望ましい。

１ 構造体鋼管用平行ねじ継手
３ 雄継手
５ 雌継手
７ 雄ねじ山
９ 雌ねじ山
１１ ピン挿入孔
２１ 杭打機
２３ ねじ継手
２５ ねじ継手付鋼管
２７ 回転バンド
２９ 回転棒
３１ ねじ継手（１条ねじで６山）
３３ 雄継手
３５ 雌継手
３７ 雄ねじ山
３９ 雌ねじ山
４１ ねじ継手（４条ねじで２山）

Claims (5)

1. 構造体を構成する鋼管の接合に用いられる構造体鋼管用平行ねじ継手であって、
   嵌合するねじ山数Ｍとねじ条数Ｎとの関係がＭ／Ｎ≦0.5に設定されると共に、Ｍ≦４であり、嵌合するねじ山数がＭと異なる範囲が、継手周方向長さに対して所定割合以下に設定されていることを特徴とする構造体鋼管用平行ねじ継手。
2. 嵌合開始部にある雄ねじ山及び雌ねじ山の不完全ねじ部が除去されていることを特徴とする請求項１記載の構造体鋼管用平行ねじ継手。
3. 前記不完全ねじ部を除去した部位に逆回転防止金具の設置位置が設定されていることを特徴とする請求項２記載の構造体鋼管用平行ねじ継手。
4. ねじ山の嵌合効率が0.6以上を満たすようにねじ山高さ及びねじ山のクリアランスが設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の構造体鋼管用平行ねじ継手。
5. ねじリード角θが、θ≦5.7°を満足するよう設定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の構造体鋼管用平行ねじ継手。