JP2936455B2 - 高力ボルト摩擦接合構造及びその鋼材 - Google Patents
高力ボルト摩擦接合構造及びその鋼材Info
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Description
造及びその鋼材に関する。建築鉄骨構造物あるいはその
他の鉄骨構造物における鋼材を接合する場合に適用する
ことができる。
る摩擦接合では、鋼材の摩擦面は屋外にて自然発錆させ
た赤錆面、あるいはショットブラスト面によることが標
準となっている。ところが、赤錆を発生させる方法は、
赤錆面の発生した面での表面の凹凸の突起の高さは、例
えば0.07mm程度であり、しかも突起の高さや形状
における施工上の大きなバラツキを考慮すると、0.4
5よりも大きなすべり係数の値を接合部の設計に採用す
ることはできない。ここで、すべり係数とは高力ボルト
の締め付け力に対する抵抗力の比率μをいう。また、シ
ョットブラストによる方法は、表面の凹凸の突起の高さ
は、最大で0.07〜0.10mm程度、またRz(D
IN)で0.05〜0.07mmで実施されており、バ
ラツキを考慮すると、やはり0.45よりも大きなすべ
り係数の値を採用することは困難である。かかる事情か
ら、すべり係数の設計値は、低い値(μ=0.45)に
設定されている(日本建築学会JASS6参照)。
るために、鋼材表面のうち摩擦面の部分に事前に塗装を
施すことはできないばかりか、油などの錆の発生を妨げ
るものの付着を完全に除去することが必要であり、施工
品質の管理が非常に煩雑となる。
るため、(1)特開昭51−52336号公報により鋼
材の摩擦面に特殊な塗装を施して高力ボルトにより接合
する方式、(2)特開平1−266309号公報により
鋼材の摩擦面にセラミックのプラズマ溶射処理を施し
て、高力ボルトにより接合する方式、さらに鋼材の摩擦
面にアルミ溶射処理あるいはジンクリッチ塗装を施し
て、高力ボルトにより接合する方式などが提案されてい
る。しかしながら、ここで前記(1)の方法の場合は、
鋼材に特殊な塗装を施す必要があるので、煩雑であり、
また前記(2)の方法の場合には、鉄骨加工工程中で新
たな専用設備を必要とするという問題があるということ
で、前記の(1)と(2)の方法は、いずれも広く実施
されていないのが現状である。また、前記のアルミ溶射
による方法やジンクリッチ塗装を施す方法も加工、施工
が煩雑であることから、広く採用されるに至っていな
い。
め付けられて摩擦接合される鋼材の一方の鋼材の摩擦面
側の表面硬さと表面粗さを、他方の鋼材の摩擦面側の表
面硬さと表面粗さよりも大きくすることにより、0.6
以上のすべり係数が比較的容易に確保できる高力ボルト
摩擦接合構造を開発し、先に特願平4−326232号
(特開平6−146427号)に係る発明(以下A発明
という。)を出願している。
高力ボルト摩擦接合構造においてすべり係数0.6以上
を安定して確保することが可能となった。しかしなが
ら、A発明においては、すべり係数0.6以上を達成で
きても、その最大値は0.85をわずかに越える程度で
ある。また、A発明では、グリットブラスト加工により
粗面化することを開示するが、グリットブラストによる
摩擦面の凹凸はせいぜい0.15mm程度であり、しか
もその凹凸の形態は、グリットブラストにて加工するこ
とから、十点平均粗さRz(DIN)ではほぼ等しい粗
さに管理していても、凹凸形状とその分布が一定でない
ため、すべり係数の値に無視できないバラツキが発生す
る場合がある。その結果、0.85を越える大きなすべ
り係数値を設計に活かすことができないという問題があ
った。ところで、近年、鋼構造物の大型化や大スパン化
に伴って使用される鋼材の板厚が厚くなるとともに、鋼
材の高強度化か図られ、また、接合部の加工の簡略化、
省力化、また施工のスピードアップが一層強く要求され
てきている。これらに適合する有効な手段として、接合
部の高耐力化を図り、また高力ボルト摩擦接合部にあっ
ては締付け張力の増大を図る高力ボルトの高強度化とす
べり係数の増大化を図る必要がある。ここでの高力ボル
ト摩擦接合部におけるすべり係数の増大化のためには、
すべり係数について現状の基準値の倍である0.9以上
を確保することが必要である。
摩擦接合部において新たな接合部構造の研究を行い、
0.9以上の高いすべり係数値を安定的に確保でき、摩
擦接合面の品質の安定と摩擦接合面の施工管理を簡易に
し、トータルとして高力ボルト摩擦接合部のコストを低
減できる、高力ボルト摩擦接合構造及びその鋼材を提供
することにある。
擦接合構造において、一つの摩擦接合面を構成する2つ
の鋼材のうち、一方の鋼材における摩擦面の表層部の硬
さと他方の鋼材における摩擦面の表層部の硬さとの比が
2.5以上であって、表層部の硬さが大なる層の深さを
0.2mm以上とし、さらに前記の両摩擦面の表層部の
うち、表層部の硬さが大なる側の表面に沿って三角形の
波形状あるいは角錐状の複数の突起を設け、かつ該突起
の高さは0.2〜1.0mmとし、また表層部の硬さが
小なる側の表面の最大表面粗さを該突起の高さよりも充
分に小さくしたことを特徴とする高力ボルト摩擦接合構
造により構成される。。また、本発明は、高力ボルト摩
擦接合構造の鋼材であって、一つの摩擦接合面を構成す
る2つの鋼材のうち、一方の鋼材における摩擦面の表層
部の硬さと他方の鋼材における摩擦面の表層部の硬さと
の比が2.5以上であって、表層部の硬さが大なる層の
深さを0.2mm以上とし、さらに前記の両摩擦面の表
層部のうち、表層部の硬さが大なる側の表面に沿って、
三角形の波形状あるいは角錐状の複数の突起を形成して
設け、かつ該突起の高さは0.2〜1.0mmとし、ま
た表層部の硬さが小なる側の表面の最大表面粗さを該突
起の高さよりも充分に小さくしたことを特徴とする高力
ボルト摩擦接合構造の鋼材により構成される。
数の鋼材を高力ボルトで締め付けることによって鋼材間
に生じる摩擦力(あるいはすべり抵抗力)を利用して鋼
材同士の応力伝達を行う結合構造をいう。ここで、結合
構造は、具体的には構造物を構成する部材と、該部材を
結合する役割を果たす添板、T型鋼、山型鋼等との間、
或いは構造物を構成する部材同士との間、等において形
成することができる。本発明の高力ボルト摩擦接合構造
の摩擦面の表層部の硬さが大なる側の表面にに設ける突
起の形態は、三角形の波形状あるいは角錐状であり、図
1及び図2において各例を示す。図1は突起1が三角形
の波形状の場合であり、図2は突起2が角錐状(四角錐
状)の場合である。突起1の断面形状は、三角形の場合
に、図3のごとく真正な三角形だけでなく、図4に示す
ごとく三角形の斜面が内側に凹状の場合(イ)、外側に
凸状の場合(ロ)がある。また、三角形の突起1の頂部
については、図5に示す如く、先端が尖っている場合
(イ)だけでなく、平坦である場合(ロ)、r部を有す
る場合(ハ)がある。したがって、本発明で三角形の用
語は、かかる三角形に近似する形状を含む意味をもって
使用する。突起の形状の点については、角錐状について
も同様である。本発明では、かかる突起を表面に沿って
複数設ける。複数の突起は、通常同一形状で同一高さの
三角形の波形状あるいは角錐状のものが繰り返すよう
に、あるいは高さがやや異なり、形状が相似的あるいは
近似的であるものが連続的に繰り返すように設けること
が好ましい。切削加工、レーザー加工、ローレット加
工、プラズマ加工により、かかる成形加工が可能であ
り、表面に沿い各部位で一定した形態の突起群を形成す
る。一定した形態の突起は摩擦接合面の全面での接合条
件を強化し、すべり係数を高く安定して確保することに
大いに役立つ。
方の鋼材である添板3の長さ方向に沿って三角形の波形
状の複数の突起1を切削加工により連続的に刻設した状
態の例を示す。図7は突起2が角錐状である場合に力の
伝達方向に対して傾きを変えた各種別(A、B、C、
D)の配列を示し、hは突起の高さ、θは突起の角度
(対向する斜面の夾角)である。
におけるすべり係数について、一方の鋼材における摩擦
面の表層部の硬さと他方の鋼材における摩擦面の表層部
の硬さとの差、および表層部の硬さが大なる側の表面に
設ける複数の突起の高さが大きく関与することから、一
方の表層部の硬さと他方の表層部の硬さとの比が2.5
以上とし、また、突起の高さを0.2〜1.0mmとす
る。これに関して、硬さ比と突起高さを変え、すべり係
数の関係について試験した。図9においてその試験例を
説明する。図9における試験条件は、図8に示す鋼材
(表層部の硬さ小)5、添板(表層部の硬さ大)6、高
力ボルト7からなるすべり試験体(寸法を図示)を用
い、添板6の摩擦面に設けた突起の形状は三角形の波形
であり、突起角度は90度、突起先端rは0である。添
板6は鋼材としてSCM435を用い、切削により突起
の成形を行った後、熱処理により各種の硬度を調製し
た。一方、鋼材5はSS400を用い、ショットブラス
トし、ビッカース硬さHv140、Rz(DIN)は7
0である。すべり試験体にF10TM22の高力ボルト
7を挿通し、標準ボルト張力(22.6ton)を導入
し、すべり係数値を測定した。その結果、図9に示すよ
うに、(1)硬さ比の増加に伴ってすべり係数も増大す
るが、硬さ比が2.5を越えるとすべり係数は増加の傾
向が弱くなる。(2)突起高さが0.1mmから0.2
mmの範囲、および0.2mmから0.5mmの範囲で
はすべり係数は増加するが、突起高さが0.5mmから
1.0mmの範囲ではすべり係数は却って減少する。
(3)0.9以上のすべり係数を確保するためには、硬
さ比は2.5以上かつ突起高さが0.2mm以上必要で
ある。かかる試験例等から、表層部の硬さの比を2.5
以上とし、また、突起の高さを0.2〜1.0mmとす
ることとした。表層部の硬さの比は大きくしても、すべ
り係数はそれに応じてあまり増加しないことに鑑み、こ
の比の上限は5程度あればよい。
硬さ大なる層の深さを0.2mm以上とする。ここでい
う層の深さは、突起の頂部を起点として突起の高さ方向
に測定した長さである。硬い層の深さについても、試験
を行い、その結果を図10により説明する。図10は突
起高さ0.5mmの場合であるが、試験条件は図9にお
けると同様である。その結果、(1)表層部の硬い層の
深さが0.2mm付近で、すべり係数に急峻に増加し、
0.2mm以上おいては、すべり係数にはほとんど変化
がない。(2)硬い層の深さが0.2mm以上の場合に
すべり係数0.9以上の確保が可能である。(3)鋼材
全厚にわたって硬くなくても、摩擦面表面から0.2m
m程度以上の層で硬さ比が確保できればよい。(4)以
上を踏まえて、本発明における表層部の硬さ大なる層の
深さは少なくとも表面から0.2mm以上とすればよ
い。設計上、層の深さの長さについては、突起の高さの
長さあれば充分である。ただし、層の深さの長さの上限
ということでは、鋼材全厚にわたり硬さが大なる鋼材を
使用してもよい。なお、突起部の硬化処理は切削加工を
行う場合は、突起の成形加工後に熱処理により行うのが
よい。真空熱処理、浸炭焼入れ、浸炭窒化焼入れ、火炎
焼入れ、等の方法を適宜選定して行う。レーザー加工ま
たはプラズマ加工により突起の成形加工を行う場合は、
加工に伴う突起部の急冷により硬化が行われる。硬さの
大なる側の鋼材には、焼入れ可能な鋼、例えばSCM4
35やS45C等を使用する。また、高速度鋼や耐磨耗
鋼さらに表層のみに硬さが大きな鋼を備えた複層鋼板等
も使用できる。
につき推奨できる事項について説明する。 (1)突起の角度(対向する両斜面間の夾角)は、90
度付近ですべり係数が最大であり、60から120度が
すべり係数0.9以上確保のために好ましい。60から
120度とする他の理由として、60度より角度が小さ
くなると突起形状の加工に精密かつ高度の技術を必要と
し、また量産化に適さなくなり、また120度よりも大
きい場合には大きなエネルギーを必要とし、低コストか
つスピーディーに突起を加工することが困難となるから
である。 (2)突起の頂部は、図5(イ)に示すように尖った形
状が好ましいが、図5(ロ)、図5(ハ)に関しては、
すべり係数0.9以上確保の見地から、図5(ロ)につ
いては突起頂部平坦巾Wを突起高さh以下に、また図5
(ハ)については突起斜面とr曲面との接点を結ぶ距離
が突起高さh(突起頂部平坦巾Wの限界値に相当)以下
にすることが好ましい。 (3)突起形状が角錐状(例えば四角錐)の場合、力の
伝達方向への角錐の投影面積が大きいほど、すべり係数
が大きい。図7においては、種別Aよりも種別Bの方
が、また種別Cよりも種別Dの方が、すべり係数が大き
い。
いて突起が施される範囲の境界は、ボルトの挿通用に設
けられたボルト孔の孔芯を中心として半径が高力ボルト
の軸部半径の3.0倍以上である円と4.0倍以下であ
る円との間に、又は前記2つの円にそれぞれ外接する2
つの多角形の間に属することが好ましい。高力ボルトの
締め付けによる摩擦面間の面圧は、ボルト孔の直近が最
も大であり、ボルト孔の孔芯を中心とする外方向に向か
って漸減するので、前記の境界を越える突起を設けて
も、すべり係数の増大の効果が少ないからである。3.
0倍以上とすのは、3.0倍より小の範囲内の高力ボル
トの締付け力の約90%以上が摩擦面間の面圧(kgf
/mm2 )として分布しているからである。また、4.
0倍あればほとんど面圧の作用する領域を覆うことがで
きる。本発明の請求項1における高力ボルト摩擦接合構
造の突起は、かかる範囲の境界に施すことが有効であ
る。ここで、図12により、摩擦面間の面圧の分布状況
の例を示す。
となる表層部の硬さの小なる鋼材の表面状態について説
明する。硬さの小さい方の鋼材には、例えばSS40
0、SS600等を使用し、機械仕上げ面ほど平滑でな
くてもよく、ショットブラスト処理かサンダー掛け処理
にて十点平均粗さRz(DIN)で70μm以下程度
に、最大突起高さで表示すると0.1mm以下程度に仕
上げてあればよい。また、特に処理を施さずに、黒皮の
ままであっても表面の粗さとしてよい場合もある。本発
明でいう、「表層部の硬さが小なる側の表面の最大表面
粗さを(表層部の硬さが大なる側にある)突起の高さよ
りも充分に小さく」とは、かかる状態を指している。
いて、図11により、さらに具体的に説明する。図11
は柔らかい鋼材の表面状態をパラメーターにしたすべり
試験について示す。図11は図8のすべり試験体につい
て、次の試験条件により試験を行った。硬い鋼材の摩擦
面の側に設けた突起の形状は三角形の波形であり、突起
角度は90度、突起先端rは0である。一方、柔らかい
鋼材はSS400、Hv140であり、表面状態はA
(黒皮のまま)、B(ショットブラスト)、C(機械仕
上げ)、D(サンダー掛け+塗膜)、E(ショットブラ
スト+塗膜)、F(機械仕上げ+グリース)の6水準で
ある。かかる、すべり試験体にF10TM22の高力ボ
ルトを挿通し、標準ボルト張力(22.6ton)を導
入し、すべり係数値を測定した。その結果、次の通りで
ある。 (1)柔らかい鋼材において、摩擦面の状態は、黒皮、
ショットブラスト、機械仕上げ、サンダー掛けによるい
ずれの粗度の場合も、また塗膜、グリースの被覆層のあ
る場合も(すなわち被覆層の有無にかかわらず)、0.
9以上のすべり係数を確保できた。 (2)硬さが大なる鋼材の加工工場段階で摩擦面に錆止
め塗装等の防錆処理を施しても、すべり係数の大きさに
はほとんど影響がないので、防錆処理を施すことが可能
となる。 (3)硬さの小さい鋼材の摩擦面について表面処理の有
無、方法についてかなり柔軟性がある。この知見から、
現在必須とされている鋼材塗装時の摩擦面のマスキング
等の処置を不要とすることができるので、加工、施工の
省力化、工程短縮を図ることができる。さらに、摩擦面
の管理に特別な技能・技術を要しないことから、施工品
質の確保が容易となる。
締め付けられる突起が硬さの小なる鋼材表層部に食い込
み、すべりに対して強力なずれ止めとして作用するた
め、大きなすべり係数値が得られる。また突起の形状と
大きさをほぼ一定にしているために、摩擦面に形成され
るすべりに対する抵抗構造の部位によるバラツキが小さ
くなり、安定したすべり係数値の確保が可能となる。さ
らに、一つの摩擦接合面を構成する2つの鋼材のうち、
片方あるいは両方の鋼材の少なくとも摩擦面側の表面に
防錆用の塗料あるいは油が塗布されていても、突起が前
記塗料あるいは油を貫通して、硬さが小なる鋼材表面部
に食い込むので、すべり係数値を低下させることなく、
従来行われなかった摩擦面の防錆処理が可能である。
9はH900×300×16(ウェブ厚さ)×28(フ
ランジ厚さ)、材質SM490であり、本発明での硬さ
が小なる方の鋼材である。摩擦接合する鋼材9の表層部
はショットブラストにより処理し、Rz(DIN)=5
0μmとした。一方、添板10はSCM435を用い、
機械切削により波高さ0.5mmの三角形の波形を形成
し、熱処理により、表層部において硬さ比3.5(硬い
層の深さ0.4mm)を得た。かかる鋼材を高力ボルト
F10T M22により締め付け、鋼材に長手方向(図
面で左右方向)の力を付与し、すべり係数1.25、必
要ボルト本数36本であった。8はボルト孔である。
9はH900×300×16(ウェブ厚さ)×28(フ
ランジ厚さ)、材質SM490であり、本発明での硬さ
が小なる方の鋼材9である。摩擦接合する鋼材9の表層
部はショットブラストにより処理し、Rz(DIN)=
50μmとした。一方、添板11はSCM435を用
い、機械切削により波高さ0.5mmの四角錐の形状を
形成し、熱処理により、表層部において硬さ比2.5
(硬い層の深さ0.2mm)を得た。かかる鋼材を高力
ボルトF10T M22により締め付け、鋼材に長手方
向(図面で左右方向)の力を付与し、すべり係数0.9
0、必要ボルト本数46本であった。8はボルト孔であ
る。
×300×16(ウェブ厚さ)×28(フランジ厚
さ)、材質SM490であり、添板12の材質はSM4
90であり、高力ボルトF10T M22であり、鋼材
9と添板12の摩擦接合面は赤錆状態とした。その結
果、すべり係数は0.45(現行基準通り)であり、必
要ボルト本数は86本である。本発明において、すべり
係数は向上し、ボルト本数は大巾に減少することができ
る。8はボルト孔である。
る。 (1)0.9以上のすべり係数値を安定して確保するこ
とか可能となる。その結果、鋼材の高強度化、板厚の極
厚化にたいしても接合部をコンパクトに設計し、高力ボ
ルトの必要本数を大巾に減少することができる。また、
既存の接合部もよりコンパクトになり、加工・施工の省
力化と工程短縮が図れ、建設コストが削減できる。 (2)高力ボルト摩擦接合部のすべり耐力が非常に大き
くなることから、新しい接合部設計も可能となり、構造
設計の省力化が図れる。一例をあげれば、ボルト孔の断
面欠損を考慮に入れないで、全断面が有効であるとした
接合部設計が可能になる。また、本発明による接合構造
を有する骨組みは地震時により安定した履歴性状を有す
ることがら耐震性能の向上が図れる。 (3)摩擦面の表面状態管理か簡単にかつ特別の技能を
要しないため、いままで必要であった煩雑な品質管理え
不要になる。また、従来法に比べ格段に安定した性能が
得られる。
ある。
である。
である。
を示す図である。
す図である。
して突起の方向を変えて示す平面図てある。
ラメーターにしたすべり係数の試験の結果を示す。
メーターにしたすべり係数の試験の結果を示す。
表面状態をパラメーターにしたすべり係数の試験の結果
を示す。
孔の近傍の摩擦面間の面圧の分布状況の例を示す図であ
る。
(ロ)を示す。
面図(ロ)を示す。
面図、(ロ)は平面図を示す。
Claims (5)
- 【請求項1】 高力ボルト摩擦接合構造において、一つ
の摩擦接合面を構成する2つの鋼材のうち、一方の鋼材
における摩擦面の表層部の硬さと他方の鋼材における摩
擦面の表層部の硬さとの比が2.5以上であって、表層
部の硬さが大なる層の深さを0.2mm以上とし、さら
に前記の両摩擦面の表層部のうち、表層部の硬さが大な
る側の表面に沿って三角形の波形状あるいは角錐状の複
数の突起を設け、かつ該突起の高さは0.2〜1.0m
mとし、また表層部の硬さが小なる側の表面の最大表面
粗さを該突起の高さよりも充分に小さくしたことを特徴
とする高力ボルト摩擦接合構造。 - 【請求項2】 表層部の表面において突起が施される範
囲の境界が、ボルトの挿通用に設けられたボルト孔の孔
芯を中心として半径が高力ボルトの軸部半径の3.0倍
以上である円と4.0倍以下である円との間に、又は前
記2つの円にそれぞれ外接する2つの多角形の間に属す
ることを特徴とする請求項1記載の高力ボルト摩擦接合
構造。 - 【請求項3】 高力ボルト摩擦接合構造において、一つ
の摩擦接合面を構成する2つの鋼材のうち、片方もしく
は両方の鋼材の摩擦面の表面に防錆用の塗料あるいは油
を塗布してあることを特徴とする請求項1、又は請求項
2記載の高力ボルト摩擦接合構造。 - 【請求項4】 高力ボルト摩擦接合構造の鋼材であっ
て、一つの摩擦接合面を構成する2つの鋼材のうち、一
方の鋼材における摩擦面の表層部の硬さと他方の鋼材に
おける摩擦面の表層部の硬さとの比が2.5以上であっ
て、表層部の硬さが大なる層の深さを0.2mm以上と
し、さらに前記の両摩擦面の表層部のうち、表層部の硬
さが大なる側の表面に沿って、三角形の波形状あるいは
角錐状の複数の突起を形成して設け、かつ該突起の高さ
は0.2〜1.0mmとし、また表層部の硬さが小なる
側の表面の最大表面粗さを該突起の高さよりも充分に小
さくしたことを特徴とする高力ボルト摩擦接合構造の鋼
材。 - 【請求項5】 高力ボルト摩擦接合構造であって、一つ
の摩擦接合面を構成する2つの鋼材のうち、片方もしく
は両方の鋼材の摩擦面の表面に防錆用の塗料あるいは油
を塗布してあることを特徴とする請求項4記載の高力ボ
ルト摩擦接合構造の鋼材。
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