JP4025851B1 - ねじ節異形棒鋼 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＰＣ鋼棒、鉄筋用棒鋼におけるねじ節棒鋼の節の形状の改良により節部質量を合理的に削減して鋼材の軽量化を図る。
【解決手段】 ねじ節の形状を、１）底幅比（＝ねじ底幅／ねじ山幅）の値を従来製品の１．０〜１．３に対して１．４以上３以下とする、２）ねじ山縦断面形状を従来製品の台形状から頂部が丸みを持った３角形状に修正する。節部の質量比率は従来製品の５〜１２％からそれぞれ半減となる。２方ロールによる２列ねじ節と同様、３方ロールによる３列、４方ロールによる４列についても同一方法同一効果が期待される。
【選択図】 図２

Description

本発明はコンクリート補強用に使用される全長ねじ節付きの鉄筋棒鋼、コンクリートを圧縮補強するねじ節ＰＣ鋼棒及び構造物の定着に使用される高強度のねじ節タイロッドに関している。

コンクリート補強用の鉄筋にはコンクリートとの付着性を強化するため丸棒鋼の表面に節やリブを形成して異形に製造されている。ＰＣ鋼棒でもしばしば異形になされる。

節をネジ状に形成したねじ節を持つ棒鋼はカップラーやナットを介して連結や定着が簡単にでき、しかも任意の長さで使用することができるのでコンクリート補強用だけでなくタイロッドとしても工事現場で重宝されている。ねじ節の大きさは定着性と製造のし易さ、使用のし易さからかなり大きめに、いわゆる粗ねじ状に形成される。

ねじ節棒鋼はコスト有利な大量生産の棒鋼ミルで製造される。ねじ節の形成は仕上げ圧延パスの異形孔型圧下によってなされるので圧下面はねじ節が形成されても圧下側面は平坦である。従って圧下ロールが２方又は３方又は４方に応じて２，３，４列のねじ節列が形成される。多列ねじ節はリブが無くても節とリブの双方の役割を果たしている。
一般に節は対コンクリート付着性に寄与するが引張強度には寄与しない。節付き棒鋼の引張性能を丸棒鋼のそれと比較すると表面が異形の故に応力集中が起こり強度・延靭性とも多少劣る。

ねじ節を形成することによる質量増加を検討する。節は円断面基形部上に附加される。
橋梁用ＰＣ鋼棒の場合、丸棒鋼とねじ節棒鋼の２種があって、同一径・同一強度の品種間で単位長さの質量を比較すると、節形成により約４〜６％増加している。
丸棒鋼では定着に当たり定着部のみ細かい冷間転造ねじが形成され質量の増加は無い。

同様に有力メーカーのねじ節鉄筋の実質量と基形部（円断面）の質量を比較すると、節形成により１２％増加している。両製品とも付着性と勘合性という機能を保有するとはいえ、該質量増加には疑問が生ずる。因みに通常の鉄筋用異形棒鋼ではリブ部は引張強度に寄与し、節部は付着性のみに寄与していて、節部の質量は上記の値の半分以下である。

種々のねじ節棒鋼の節形状について検討する。
初めに原型となる冷間転造の精密ねじを両端に形成した円断面ＰＣ鋼棒では、ねじ山とねじ底の形状は対称的であるから棒軸方向のねじ山幅に対するねじ底幅の比は０に近い。
熱間圧延で形成された全長にねじ節を持つ棒鋼では節は丸棒表面に突起状に形成されるので圧下面は山と平坦底から成り、棒軸方向のねじ山幅に対するねじ底幅の比は約１〜１．３にある。底部は谷状でなく平坦であるから実効断面積の減少は避けられる。
通常の異形鉄筋では節の裾部の幅と平坦部の幅の比はＪＩＳの規定もあり２を超えない。

特許文献１には、コンクリート構造物の結合用のねじ節棒が開示されている。図面上ではねじ底幅が大きく前記の比は２に近く見えるが詳細な説明には該比に関して何ら言及されていない。通常のボルト・ナットとも共用するとの記載があり、そこから該比は１近辺と推定される。

特許文献２にはねじ節鉄筋の曲げ性を改善するためねじ節の形状を滑らかにすることが開示されている。図面上ではねじ山の頂部が小さいので該比は２以上に見えるが、ねじ山裾部は大きくなる。ねじ底幅／ねじ山幅の比の意味や関連事項については何ら記述や示唆はない。

特許文献３にはねじ節棒鋼の曲げ加工の異方性を軽減するため基形部断面形状を円から節部が短径となる長円に形成することが開示されている。この場合相対的にねじ山の高さが増加する。言及されていないが付着性が強化されると言う付加的効果が得られるが節の質量に関わる底幅／山幅の比については何ら着眼ないし示唆は無い。

以上の如く棒軸方向についてねじ山幅とねじ底幅の寸法に大差が無い理由に関して、当該製品を永く扱ってきた発明者は以下と推測している。即ち１９６０年頃西独で初めて開発されたＰＣ用の高強度ねじ節棒鋼は、圧延に際して上下ロールのかみ合わせが困難なため片側だけの１列ねじ節であった。当然勘合強度が不足するので底幅／山幅の比は１に設定された。実圧延では横溝付きカリバーによる延伸が生じ該比は１を少し超えた。その後圧延機の上下ロールの同期機構が開発され２列ねじ節となったが、既に１列ねじ節が市場に受入られつつあったのでねじ節形状は当初のまま踏襲された。公共土木工事の実績を背景に当該技術は国内に技術導入され、その後鉄筋にまで模倣・応用・拡張された。機能性が好評で質量増加は問題とされなかった。少なくとも製造側には有利であっても不利な要素が無かったので今日までねじ節形成に伴う質量増加の改良は進んでいない。使用側が問題に気付いてこなかった面もある。
節の質量がＰＣ鋼棒では比較的小さく鉄筋では大きいのは、前者では高強度・高信頼性の故に勘合接続の強度・靱性が常に問題視され、付着性はあまり問題ではなかったので節は応力集中を少しでも緩和するよう緩やかな形状に修正されてきたためである。

公開特許公報２００３−１３６９７ 公開特許公報平成０８−２８４３１３ 公開特許公報２００６−１４２３０５

本発明の課題は、ねじ節付きの熱間圧延棒鋼において節形成に伴う質量の増加を効果的に削減することである。

上記課題を解決するため、問題視されてこなかったねじ節の棒軸方向の山幅と底幅の関係を見直し適正化する。形状変更に伴う勘合部の引抜耐力に対しては必要ならナット、カップラー等の勘合部品の形状に修正を加える。コンクリートとの付着性に関しては従来同一ないし以上の山の高さを原則に従来同等水準以上とする。
第１の発明は、２ないし４列のねじ節を持つ異形棒鋼のねじ節の形状において、棒軸方向のねじ山幅に対するねじ底幅の比が１．４以上３以下であることを特徴とするねじ節異形棒鋼である。

第２の発明は、第１発明において ねじ節の棒軸方向における断面の形状が山の頂部が丸みを持った３角形であることを特徴とするねじ節異形棒鋼である。

棒鋼全体に対する節部の質量比率が減少するので使用鋼材量を節減することができる。
削減した節部質量の一部をねじ山高さの増加に移行させるとコンクリートとの付着性能が一層向上する。ねじ底部の拡大も付着性能を改善する。
製造においては圧延歩留まりが向上する。
無視できないコストであるロールカリバーに形成されるねじ山溝の工作工数が半減する。

図１は２列ねじ節ＰＣ鋼棒の表面形状の例を示す。
ねじ溝は一般的な１条とする。即ち端面においてねじの入口は一つである。
２本のロールの圧延によりねじ節が成形されるので圧下側面は平坦であり、従ってねじ節は１周で２カ所の形成と欠落がある。本願で「列」は棒表面において節の向きは棒軸にほぼ直角で棒軸方向に並んだ個々の節の列を意味する。従って２本のロールで形成される場合は２列になる。

図２には節幅中央を通る中心縦断面における節の形状を本発明と従来製品を比較して示す。
表１には本発明と従来製品の鋼棒の寸法の例を示す。
例ではねじリード角αは従来通りの９度としている。
ねじ節を形成するねじ山の幅ｂは図に示されるように中心縦断面における山裾幅で定義される。ねじ底幅ｃの定義は裾間距離とする。ねじ諸元には以下の関係がある。
ねじ山幅ｂ＋ねじ底幅ｃ＝ねじピッチｐ
ねじピッチｐ＝π×棒径Ｄ×ｔａｎα
従来製品ではねじ節形成による質量の増加は約５％である。

表１に示されるように底幅ｃ／山幅ｂの比β（以後底幅比と称する）は従来製品では１．１〜１．２になっているが本発明では１．４以上３以下の所望の値に設定される。底幅比βの値が大きいほど節部質量は減少する。仮に該値を従来の１．２に対して２倍の２．４に設定すると節の質量比は５％から半減する。

底幅比βの値を大きくするため山幅ｂを小さく、又は底幅ｃを大きく、又は両者を加減しても良い。その結果、ねじピッチｐ又はねじリード角が多少増減することもある。特に問題はないが、過大になると勘合が緩み易くなるので良くない。

ねじ山側面の傾斜角γは従来製品の４５度に対して大きく、例えば４６〜７０゜にするのが望ましい。その理由は従来製品と同一ピッチにおいて山幅ｂを縮小することができる。その結果、底幅比βの値が大きくなる。９０度に近いと勘合の引抜試験においてねじ山裾部の応力集中が過大になって所定の強度、靱性が得にくくなるので良くない。

ねじ山の高さｈは通常棒径の約６％であるが、多少大きく例えば７〜１０％にすれば対コンクリート付着性が一層向上する。単純に高さを大きくすると質量増加になるが山の形状を台形から３角形に修正することにより逆に減少させることもできる。
山の頂部の形状はある程度丸める又は平坦に近いことが良い。尖鋭になると圧延直後の冷却が過剰、当たりキズがつきやすい等の問題が生ずる。不都合な丸みの程度は当業者なら容易に解る。

底幅比βの拡大による単位長さ当たりの節部質量の削減はナット又はカップラーとの勘合の引抜強度が低下し、その結果該部品長さを大きくしなければならないという懸念が生ずる。実際はそうでないことを以下に説明する。
引抜強度は鋼棒のねじ山又は結合部品のねじ山の剪断強度に依存する。双方とも鋼棒本体の破断強度に耐えるねじ山数（より正確にはねじ山幅×山数）が必要である。
ＰＣ鋼棒の降伏応力は部品側鋼材のそれの２〜４倍になっているので部品側山数が全体強度を決めており棒側の山数は過剰である。従って棒側の山幅ｂの和がたとえば半分に減少しても問題にはならない。底幅比βの増加は部品側の山幅の増加即ち強度の増加をもたらし、部品の寸法を合理的に縮小することも可能になる。

図３は２列ねじ節の鉄筋用異形棒鋼について図２同様に節の形状を比較して示す。
表２にはそれぞれの棒鋼の寸法を示す。従来製品として各社間に大差が無いので有力社の製品カタログ数値を引用した。
ＰＣ鋼棒と比較して鉄筋の場合の特徴は、ねじ山高さ比δ（＝山高さｈ／棒径Ｄ）が約６％に対して８〜９％と大きいこと、節部質量が約５％に対して１２％と大きいことである。底幅比βは規定されていないが図面の計算と実測から約１に設定されている。

上記の差は前者が節部の軽量化を意図したものではなく、既述のようにＰＣ鋼材の特殊性から結果としてそうなった。他方鉄筋では延靭性に問題が無かったので当初の形状から余り変化しなかったことによる。

本発明の形状は底幅比βを１．４以上３以下に設定する。ねじ節質量は従来製品の半減以下とすることができる。表には数例のみ示したが山幅ｂ、底幅ｃ、ねじピッチｐ、リード角α、山高さ比δ、山傾斜角γ等を適当に組み合わせれば多様な寸法、形状が可能である。

低強度の鉄筋の場合、結合部品の長さが従来同等なら底幅比βの増加により結合部品との引抜耐力は棒鋼側が負ける。従って棒鋼本体強度以上になるまで結合部品の長さを適当に増加させる必要がある。部品コストの増加を来すが棒鋼のコスト低減が圧倒的に大きい。
高強度鉄筋に対してはＰＣ鋼材との中間的条件になり部品長さを増強する必要はない。

底幅比βの値をを１．４以上とした理由は、節部質量の削減効果が十分得られる範囲であり、従来製品の上限と見なされる約１．３を超えるためである。３以下とした理由は通常のねじ節の大きさではねじリード角が過大になって引張に対して勘合部品の滑り回転力が生じ、そのため特別の緩み止めが必要となるからである。上記リード角の過大を避けるため、山幅ｂを縮小して底幅比βを３以上にするとことができるが、節が薄くなり過ぎると当外部の圧延直後の冷却が過剰となって良くない。そこでβの上限値を３とした。

コンクリートとの付着強度について補足する。ナット、カップラー等の結合部品と同様に引抜試験により評価される。破壊挙動は一見似ているが鋼どうしの剪断のように単純ではない。細かいメートルねじのような形状にすると両部材間の摩擦抵抗は大きくなるが破壊強度は不十分である。山が大きいほどコンクリート中の応力が広く分散し付着性は向上する。本発明では節部の軽量化のため山高さは従来より小さくすることはない。削減分の一部を山の高さ増加に活用してもよい。
底幅比βの値の増加はコンクリート側の山幅増加をもたらす。コンクリートは塊が小さいほど強度が低下する性質がありβの増加は都合の良い方への条件変化となる。

節の質量の削減は、超硬ロールカリバーに研削される節溝の加工工数を減少させ、コスト上好ましい。
節質量の削減は、圧延の正味歩留まりを向上させる。
鋼材使用者には軽量化により、鋼材単価や工事諸費用の節減につながる。
以上２列ねじ節を対象に説明したが、３方ロールによる３列ねじ節、４方ロールによる４列についても同様である。

既述したように表１にＰＣ鋼棒に本発明を応用した例を示す。節質量は５％から３％以下に削減することができる。発明例ではねじ山幅を主として改良し、その他は従来製品と同様とした。
同様に表２には鉄筋用異形棒鋼に本発明の節形状を適用した例を示す。節質量は１２％から半減させることができる。表において引用カタログ等には節の正確な図面の提示が無く、質量の規定と計算とそれに一部は実際の棒からねじ節形状を計算し、推測した結果を示している。

ネジ節高抗張力鋼棒はＰＣ用として又タイロッド用として世界的には手堅い需要があるが供給源が限られていること、コスト・価格に難点があり需要は伸び悩んでいる。本発明のねじ節の製品によりコスト増加要素は全く無く、鋼材が軽量化される。鋼材質量を基準に購入する需要側には有利な製品とすることができる。
本発明の鉄筋用の異形棒鋼では鋼材の相当な軽量化が可能性であり省資源上大変好ましい製品となる。

ねじ節ＰＣ鋼棒の表面形状の例を示す。 ねじ節ＰＣ鋼棒の節幅中央を通る中心縦断面における節の形状を本発明と従来製品を比較して示す。 ねじ節鉄筋用異形棒鋼について図２同様に節の形状比較を示す。

符号の説明

Ｄ：直径 ｂ：ねじ山幅 ｃ：ねじ底幅 ｐ：ねじピッチ α：ねじリード角 β：底幅比（＝ねじ底幅ｃ／ねじ山幅ｂ） ｈ：ねじ山高さ γ：ねじ山傾斜角
δ：山高さ比（＝山高さｈ／棒径Ｄ）

Claims (2)

1. ２ないし４列のねじ節を持つ異形棒鋼のねじ節の形状において、棒軸方向のねじ山幅に対するねじ底幅の比が１．４以上３以下であり、棒の直径に対するねじ山高さの比が６．１％以上であることを特徴とするねじ節異形棒鋼。
   
2. ねじ節の棒軸方向における断面の形状が山の頂部が丸みを持った３角形であることを特徴とする請求項１に記載のねじ節異形棒鋼。

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