JP2018179101A - 軸力部材の端部接合構造及びボルト - Google Patents

Abstract

【課題】想定外の大きさの外力が入力した場合であっても接合端部に過大な反力が生じることを防止できる軸力部材の端部接合構造及びボルトを提供する。【解決手段】外力が作用するとともに軸力が発生する軸力部材の端部の接合構造であって、軸力部材の端部を接合対象にボルト３とナットを用いてボルト接合するとともに、ボルト３を、軸部１１と頭部１０を摩擦接合して形成する。【選択図】図５

Description

本発明は、ダンパーや座屈拘束ブレースなどの軸力部材の端部接合構造及びボルトに関する。

ダンパーや座屈拘束ブレースなどの軸力部材は、クレビスやボールジョイント等を介してその両端部を構造体にボルト接合することが多い（例えば、特許文献１参照）。また、この種の軸力部材の両端部の接合手法として、ボルトとナットを用いた引張り接合が多用されている。

ここで、図１２に示すように、ボールジョイント１を介して両端部２ａ、２ｂを構造体にボルト接合したダンパー２においては、ダンパー軸方向と直交する力（Ｆｙ，Ｆｚ）が作用すると、ボールジョイント１が回転してダンパー２が変形に追随する。これにより、外力が作用すると、ダンパー軸方向力Ｆｘは伝達され、ダンパー軸方向と直交する力Ｆｙ，Ｆｚはほぼ０となる。また、ボールジョイント１が回転することにより、ダンパー軸まわりのトルクＴ（伝達トルク）もほとんど生じない。

特開２００５−１２１１４１号公報

しかしながら、上記のようなダンパーなどの軸力部材の両端部をボルト接合する手法においては、通常の適用範囲内では反力がリリーフ荷重や降伏荷重等により頭打ちされる。反面、許容変位／ストロークを超える想定外入力時にはストローク限界に達した後に過大な反力を生じ、本体構造体に大きな損傷を与えることも考えられる。

このため、想定外の大きさの外力が入力した場合であってもダンパー固定端（接合端部）に過大な反力を生じさせないフェールセーフ機構を備えることが求められていた。

本発明は、上記事情に鑑み、想定外の大きさの外力が入力した場合であっても接合端部に過大な反力が生じることを防止できる軸力部材の端部接合構造及びボルトを提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の軸力部材の端部接合構造は、外力が作用するとともに軸力が発生する軸力部材の端部の接合構造であって、前記軸力部材の端部を接合対象にボルトとナットを用いてボルト接合するとともに、前記ボルトが軸部と頭部を摩擦接合して形成されていることを特徴とする。

本発明の軸力部材の端部接合構造においては、前記ボルトの頭部と前記接合対象の間、及び／又は前記ナットと前記接合対象の間に弾性体が介装されていることが望ましい。

本発明の軸力部材の端部接合構造においては、前記ボルトの軸部が、軸線方向後端側の外周面に雄ネジが螺刻されていない摩擦接合部を備えて形成され、前記ボルトの頭部が、前記軸部の摩擦接合部の外周面と内周面が面接触するように前記摩擦接合部を嵌合させて一体に取り付けられるダイスと、前記ダイスを内包するように一体に設けられ、前記ボルトの頭部の外周面を形成する被覆部材とを備えて構成されていることが望ましい。

本発明の軸力部材の端部接合構造においては、前記ダイスの外周面と該ダイスの外周面が面接触する前記外筒の内周面との間の摩擦抵抗を、前記ボルトの軸部で外周面に雄ネジが螺刻されていない摩擦接合部の外周面と前記ダイスの内周面との間の摩擦抵抗より大として構成されていることがより望ましい。

本発明の軸力部材の端部接合構造においては、前記ボルトの軸部が、軸線方向後端側に、外周面に雄ネジが螺刻されていない摩擦接合部を備えて形成され、前記ボルトの頭部が、前記ボルトの軸部の摩擦接合部を挟み込んでクランプ保持する一対の加圧板を備えて構成されていてもよい。

本発明のボルトは、軸部と頭部を摩擦接合して形成されていることを特徴とする。

本発明のボルトにおいては、前記軸部が、軸線方向後端側に、外周面に雄ネジが螺刻されていない摩擦接合部を備えて形成され、前記頭部が、前記軸部の摩擦接合部の外周面と内周面が面接触するように前記摩擦接合部を嵌合させて一体に取り付けられるダイスと、前記ダイスを内包するように一体に設けられ、前記ボルトの頭部の外周面を形成する被覆部材とを備えて構成されていることが望ましい。

本発明のボルトにおいては、前記軸部が、軸線方向後端側に、外周面に雄ネジが螺刻されていない摩擦接合部を備えて形成され、前記頭部が、前記軸部の摩擦接合部を挟み込んでクランプ保持する一対の加圧板を備えて構成されていてもよい。

本発明の軸力部材の端部接合構造及びボルトにおいては、軸部と頭部を摩擦接合してボルトを構成することにより、ダンパー等の軸力部材に想定外の過大な入力が作用するとともにボルトの軸部と頭部の摩擦が切れて相対変位することで、反力を頭打ちしつつ構造体との接合を強制的に解除することができる。

すなわち、軸部と頭部を摩擦接合したボルトによって、軸力部材に想定外の過大な入力が作用してストロークエンドに達した場合でも、反力を頭打ちしつつ構造体との接合を強制的に解除するヒューズ機構（フェールセーフ機構）を構成することが可能になる。

これにより、本発明の軸力部材の端部接合構造及びボルトを採用することで、ダンパーなどの軸力部材からの反力によって構造体が損傷することを確実に防止できる。

本発明の第１実施形態に係る軸力部材の端部接合構造を示す断面図である。 図１のＳ部を拡大した図である。 図２のＸ１−Ｘ１線矢視図である。 図２のＸ２−Ｘ２線矢視図である。 本発明の第１実施形態に係るボルトを示す分解斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るボルトを示す正面図である。 本発明の第２実施形態に係る軸力部材の端部接合構造（図１のＳ部）を拡大した図である。 図７のＸ１−Ｘ１線矢視図である。 図７のＸ２−Ｘ２線矢視図である。 本発明の第２実施形態に係るボルトを示す分解斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るボルトを示す正面図である。 軸力部材を示す図である。

以下、図１から図６を参照し、本発明の第１実施形態に係る軸力部材の端部接合構造及びボルトについて説明する。ここで、本実施形態は、軸力部材がダンパーであるものとして説明を行うが、本発明に係る軸力部材は、座屈拘束ブレースなど、外力が作用するとともに軸力が発生する、あらゆる部材の端部の接合構造として適用可能である。

本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａは、図１、図１２に示すように、ボールジョイント１を介してダンパー２の両端部２ａ、２ｂを接合対象の構造体５にボルト接合するものであり、ダンパー軸方向と直交する力（Ｆｙ，Ｆｚ）が作用すると、ボールジョイント１が回転してダンパー２が変形に追随するように構成されている。これにより、外力が作用すると、ダンパー軸方向力Ｆｘは伝達され、ダンパー軸方向と直交する力Ｆｙ，Ｆｚはほぼ０となり、また、ボールジョイント１が回転することにより、ダンパー軸まわりのトルクＴ（伝達トルク）もほとんど生じない。

また、本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａは、図１から図４に示すように、ボルト締結される軸力部材２の端部２ａ、２ｂ、例えばボールジョイントやクレビスと、構造体５との間、あるいは構造体５とナット４との間のいずれかに弾性体である皿バネ６と座金７を介装して構成されている。これにより、ボルト３に導入される張力を皿バネ６のたわみで管理することができ、過大な張力導入を防止できる。

なお、軸力部材２を構造体５に引張り接合するボルト３としては、例えば、高力ボルト、アンカーボルトが適用される。

一方、本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａのボルト３は、図１から図６に示すように、その頭部１０がボルト３の軸部１１と摩擦力で結合するように構成されている。すなわち、現場では通常のボルトと同様にナット４を回転させることにより軸力部材２の端部２ａ（２ｂ）を構造体５等の接合対象にボルト接合できるように構成され、これに加え、頭部１０と軸部１１を摩擦接合したボルト接合部がヒューズ機構（フェールセーフ機構）となるように構成されている。

具体的に、本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａで用いるボルト３は、その軸部１１の雄ネジ１１ａを形成していない円柱棒状の摩擦接合部１１ｂを円筒状のダイス１２の内孔に嵌め込み、ダイス１２とボルト３の摩擦接合部１１ｂを摩擦接合し、さらに、この状態でダイス１２の外側にキャップ状の外筒（被覆部材）９を一体に接合して、ボルト３の頭部１０が形成されている。

ダイス１２の内径はボルト軸部１１の摩擦接合部１１ｂの外径と略同等の寸法（僅かに小さな寸法）とされ、ボルト３に過大な軸力が作用した際に、軸部１１の外周面とダイス１２の内周面の間の摩擦が切れて軸部１１に対してダイス１２が摺動するように構成されている。このダイス１２がボルト軸部１１に対して相対的に摺動するときの摩擦抵抗力を制限軸力とすることで、ボルト接合部をフェールセーフ機構として構成することができる。

本実施形態のボルト３は、工場製作され、現場搬入時には図６の状態とし、一般的なボルトと同様に扱うことができる。また、フェールセーフ機構をボルト頭部１０によってコンパクトに実現できる。

なお、外筒９はダイス１２に密着させ、雨水や塵埃が摺動面に入らないようにすることが好ましい。また、ダイス１２の外周面と外筒９の内周面にねじを設けて両者を一体化するようにしてもよい。この外筒９を設けることで、ボールジョイント１の接合板（ベースプレート）に外筒９のみを当接させることができ、ダイス１２に作用する外力を摺動抵抗力だけにすることができる。

ここで、ダイス１２は円筒（パイプ）形状としたが、Ｃ字状に形成したり、複数に分割形成してもよい。また、ダイス１２の外周面を目荒し等で凹凸を増して内周面より摩擦係数を大きくしておくことが好ましい。また、ダイス１２の外周面、外筒９の内周面をテーパー加工して（傾斜をつけ）クサビの様に外筒９に嵌め込むように構成してもよい。このように構成する場合には、容易に摺動摩擦抵抗力を調整することが可能になる。

例えば、ダイス１２の外周面、外筒９の内周面をテーパー加工した場合には、外筒９の内部にボルト軸部１１を挿入し、両者の隙間にダイス１２を圧入することによって、テーパーでダイス１２とボルト軸部１１との間に圧縮力（面圧）を作用させることができ、この圧縮力による摩擦で摺動抵抗力を発現させることが可能になる。このため、ダイス１２の圧入量（外筒９への押し込み量）を大きくするほど、圧縮力ひいては摺動摩擦抵抗力を増大させることができ、工場でボルト頭部１０を製作する際に、調整しながら容易に所定の摺動抵抗力が得られるようにすることができる。

なお、ダイス１２は外周面で外筒９、内周面でボルト軸部１１と接しているが、外周面では外筒９との摩擦係数が内周面より大きいためすべりが生じず、内周面でのボルト軸部１１との摺動だけが生じることとなる。また、万一外周面で外筒９との間にすべりが生じた場合、テーパーがあると面圧が低下して抜け出すことになり、ダイス１２の内周面とボルト軸部１１との面圧が低下し、ボルト軸部１１がダイス１２から抜け出すことになるが、これは何らかの理由でダイス１２の内周面とボルト軸部１１との間で摺動に支障を来した場合に対するフェールセーフ機構との位置づけとなる。

さらに、摺動抵抗力を得るためにボルト軸部１１の径が不足する場合は、ボルト軸部１１の雄ネジ部１１ａの軸径より、ネジ切りしていない摩擦接合部１１ｂの径を大きくすることで、摺動部分の面積を増大できる。

なお、この場合に構造体５及びボールジョイント１の接合板のボルト孔は、ボルト軸部１１が抜け出せるように「ボルト軸部１１のねじ切りしていない摩擦接合部１１ｂの径」以上とする。

上記構成からなる本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａは、基本的にボルト３の軸部１１と頭部１０とで摩擦ダンパーを構成したものといえる。これにより、頭部１０が軸部１１から外れた場合でも、はめ直せば再利用できる。また、工場で出荷前に全数検査することで、摩擦力のばらつきを小さくすることができる。さらに、一般的に摩擦力は個体差によるばらつきは大きいが、同一試験体で再試験した際のばらつきは小さいため、出荷試験で性能を把握しておけば現場でもその性能をほぼ再現できる。

また、ボルト３の軸部１１が頭部１０から外れると、ボールジョイント１を含む軸力部材２が落下するおそれがあるため、軸力部材２またはボールジョイント１等の接合部材に落下防止ワイヤーを付加するなどしておくことが好ましい。

したがって、本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａ及びボルト３においては、軸部１１と頭部１０を摩擦接合してボルト３を構成することにより、ダンパー等の軸力部材２に想定外の過大な入力が作用するとともにボルト３の軸部１１と頭部１０の摩擦が切れて相対変位することで、反力を頭打ちしつつ構造体５との接合を強制的に解除することができる。

すなわち、軸部１１と頭部１０を摩擦接合したボルト３によって、軸力部材２に想定外の過大な入力が作用してストロークエンドに達した場合でも、反力を頭打ちしつつ構造体５との接合を強制的に解除するヒューズ機構（フェールセーフ機構）を構成することが可能になる。

これにより、本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａ及びボルト３を採用することで、ダンパーなどの軸力部材２からの反力によって構造体５が損傷することを確実に防止できる。

さらに、従来のボルトを用いた従来の引張り接合と比較すると、ボルト３の頭が大きくなっただけでほぼ同じ部材構成なので、適用にあたり特殊な装置・技能や施工法は不要で、既往の施工方法を踏襲できる。

次に、図７から図１１（及び図１）を参照し、本発明の第２実施形態に係る軸力部材の端部接合構造及びボルトについて説明する。本実施形態は、第１実施形態と同様、ボルトの頭部をボルトの軸部と摩擦力で結合するように構成し、このボルト接合部をフェールセーフ機構として構成した軸力部材の端部接合構造、及びボルトに関するものである。よって、第１実施形態と同様の構成に対して同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａは、図７から図１１に示すように、ボルト３の軸部１１の雄ネジ１１ａを形成していない円柱棒状の摩擦接合部１１ｂ後端部を、一対の加圧板１３で挟み込み、ボルト３の頭部１０が構成されている。また、一対の加圧板１３はそれぞれ、内周面に断面円弧状の凹部１３ａが設けられ、一対の加圧板１３の互いに対向する凹部１３ａにボルト３の摩擦接合部１１ｂを係合させ、この摩擦接合部１１ｂを一対の加圧板１３で挟み込んで摩擦接合するように構成されている。

さらに、一対の加圧板１３には、ボルト３の摩擦接合部１１ｂを挟んで両側にボルト挿通孔１３ｂが貫通形成されており、一対の加圧板１３のボルト挿通孔１３ｂに加圧用ボルト１４を連通させるとともに加圧用ナット１５を締結することにより、ボルト３の摩擦接合部１１ｂに加圧板１３を押圧させ、一対の加圧板１３でボルト３の摩擦接合部１１ｂを挟持するように構成されている。また、加圧用ボルト１４と加圧板１３の間、あるいは加圧用ナット１５と加圧板１３の間に加圧用皿バネ１６、座金１７を介装し、この皿バネ１６の弾性力によってボルト３の挟持力を調整できるようになっている。

ここで、加圧板１３の内周面に摩擦材１８（摩擦係数μ＞０．２５のブレーキ材やすべり材）を取付け、ボルト軸部１１を、一対の加圧板１３の凹部１３ａで形成される空隙部に挿入して加圧板１３の両側から加圧し、ボルト３に過大な軸力が作用した際に軸部１１に対して摩擦材１８が摺動するように構成してもよい。この場合には、摩擦板１８を加圧板１３と一体化して構成してもよい。

そして、本実施形態のボルト３においても、予め工場製作しておけば一般的なボルトと同様に扱える。ボルト頭部１０が第１実施形態よりも大きくなるが、第１実施形態よりも大きな摩擦力まで対応しやすい。

また、第１実施形態と同様、摺動抵抗力を得るためにボルト軸部１１の径が不足するときには、例えば、雄ネジ部１１ａの軸径よりボルト軸部１１のねじ切りしていない摩擦接合部１１ｂの径を大きくし、摺動部の面積を増大させればよい。なお、この場合でも構造体５及びボールジョイント１の接合板のボルト孔は「ボルト軸部１１のねじ切りしていない摩擦接合部１１ｂの径」以上とする。

そして、本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａにおいても、第１実施形態と同様に、基本的にボルト３の軸部１１と頭部１０とで摩擦ダンパーを構成したものといえる。これにより、頭部１０が軸部１１から外れた場合でも、はめ直せば再利用できる。また、工場で出荷前に全数検査することで、摩擦力のばらつきを小さくすることができる。さらに、一般的に摩擦力は個体差によるばらつきは大きいが、同一試験体で再試験した際のばらつきは小さいため、出荷試験で性能を把握しておけば現場でもその性能をほぼ再現できる。

また、ボルト３の軸部１１が頭部１０から外れると、ボールジョイント１を含む軸力部材２が落下するおそれがあるため、軸力部材２またはボールジョイント１等の接合部材に落下防止ワイヤーを付加するなどしておくことが好ましい。

したがって、本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａ及びボルト３においても、軸部１１と頭部１０を摩擦接合してボルト３を構成することにより、ダンパー等の軸力部材２に想定外の過大な入力が作用するとともにボルト３の軸部１１と頭部１０の摩擦が切れることで、反力を頭打ちしつつ構造体５との接合を強制的に解除することができる。

よって、軸部１１と頭部１０を摩擦接合したボルト３によって、軸力部材２に想定外の過大な入力が作用してストロークエンドに達した場合でも、反力を頭打ちしつつ構造体５との接合を強制的に解除するヒューズ機構（フェールセーフ機構）を構成することが可能になる。

これにより、本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａ及びボルト３によれば、ダンパーなどの軸力部材２からの反力によって構造体５が損傷することを確実に防止できる。

さらに、従来のボルトを用いた従来の引張り接合と比較すると、ボルト３の頭が大きくなっただけでほぼ同じ部材構成なので、適用にあたり特殊な装置・技能や施工法は不要で、既往の施工方法を踏襲できる。

以上、本発明に係る軸力部材の端部接合構造及びボルトの第１、第２実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ ボールジョイント
２ 軸力部材
２ａ 端部
２ｂ 端部
３ ボルト
４ ナット
５ 構造体（接合対象）
６ 皿バネ（弾性体）
７ 座金
９ 外筒（被覆部材）
１０ 頭部
１１ 軸部
１１ａ 雄ネジ部
１１ｂ 摩擦接合部
１２ ダイス
１３ 加圧板
１３ａ 凹部
１３ｂ ボルト挿通孔
１４ 加圧用ボルト
１５ 加圧用ナット
１６ 加圧用皿バネ
１７ 座金
１８ 摩擦材
Ａ 軸力部材の端部接合構造

Claims (8)

1. 外力が作用するとともに軸力が発生する軸力部材の端部の接合構造であって、
   前記軸力部材の端部を接合対象にボルトとナットを用いてボルト接合するとともに、前記ボルトが軸部と頭部を摩擦接合して形成されていることを特徴とする軸力部材の端部接合構造。
2. 請求項１記載の軸力部材の端部接合構造において、
   前記ボルトの頭部と前記接合対象の間、及び／又は前記ナットと前記接合対象の間に弾性体が介装されていることを特徴とする軸力部材の端部接合構造。
3. 請求項１または請求項２に記載の軸力部材の端部接合構造において、
   前記ボルトの軸部が、軸線方向後端側の外周面に雄ネジが螺刻されていない摩擦接合部を備えて形成され、
   前記ボルトの頭部が、前記軸部の摩擦接合部の外周面と内周面が面接触するように前記摩擦接合部を嵌合させて一体に取り付けられるダイスと、前記ダイスを内包するように一体に設けられ、前記ボルトの頭部の外周面を形成する被覆部材とを備えて構成されていることを特徴とする軸力部材の端部接合構造。
4. 請求項３記載の軸力部材の端部接合構造において、
   前記ダイスの外周面と該ダイスの外周面が面接触する前記外筒の内周面との間の摩擦抵抗を、前記ボルトの軸部で外周面に雄ネジが螺刻されていない摩擦接合部の外周面と前記ダイスの内周面との間の摩擦抵抗より大として構成されていることを特徴とする軸力部材の端部接合構造。
5. 請求項１または請求項２に記載の軸力部材の端部接合構造において、
   前記ボルトの軸部が、軸線方向後端側に、外周面に雄ネジが螺刻されていない摩擦接合部を備えて形成され、
   前記ボルトの頭部が、前記ボルトの軸部の摩擦接合部を挟み込んでクランプ保持する一対の加圧板を備えて構成されていることを特徴とする軸力部材の端部接合構造。
6. 軸部と頭部を摩擦接合して形成されていることを特徴とするボルト。
7. 請求項６記載のボルトにおいて、
   前記軸部が、軸線方向後端側に、外周面に雄ネジが螺刻されていない摩擦接合部を備えて形成され、
   前記頭部が、前記軸部の摩擦接合部の外周面と内周面が面接触するように前記摩擦接合部を嵌合させて一体に取り付けられるダイスと、前記ダイスを内包するように一体に設けられ、前記ボルトの頭部の外周面を形成する被覆部材とを備えて構成されていることを特徴とするボルト。
8. 請求項７記載の軸力部材のボルトにおいて、
   前記軸部が、軸線方向後端側に、外周面に雄ネジが螺刻されていない摩擦接合部を備えて形成され、
   前記頭部が、前記軸部の摩擦接合部を挟み込んでクランプ保持する一対の加圧板を備えて構成されていることを特徴とする軸力部材の端部接合構造。

Images