JP4576417B2 - ねじ部材 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、山留め壁や連続地中壁等の壁面に対向して型枠を設置する際に、壁体と型枠とを一定間隔に保持するために使用される、矢板控金具等の連結金具を固定するのに好適するねじ部材に関する。

トンネルや地下道に防水壁を設けるには、シートパイルやＨ鋼による土留め壁に沿って、コンクリート壁を形成する。コンクリート壁を形成する際にはコンクリートを流し込む型枠をＨ鋼に固定する。Ｈ鋼に型枠を強固に安定に固定し、効率よくその固定作業をするために、所定の構造のねじ部材が開発されている（特許文献１）。このねじ部材は、鉄製の壁面に下孔を形成しその下孔にタップを立てるように挿入されるタッピングねじ部を有し、コンクリート型枠を支える。
特許２７８２１７９号公報

高深度地下においては壁面から溢れ出る地下水の圧力がきわめて高い。また、強度の高いねじ部材を使用して、より少ない本数で防水壁を支えれば、工期短縮も可能である。ねじ部材の強度を上げるには太さを太くすればよい。しかしながら、電動工具で回転駆動して鉄製の下孔にねじ込むので、ねじ部外表面と下孔内面との摩擦で高温になり、焼きなましされて強度が低下するおそれがある。
上記の課題を解決するために、本発明は、電動工具で回転駆動してねじ込むように使用されても、十分な強度を保ち、実用性の高いねじ部材を提供することを目的とする。

［請求項に記載の手段］
鉄製の壁面に下孔１６を形成し、作業者に支えられて使用される電動工具を装着する工具掛け部１９を有し、前記下孔１６にタップを立てるように挿入されるものであって、
前記下孔１６に挿入され、前記下孔１６にねじ山１７によって切られたねじ溝とねじ山１７を密着させて一体化させるタッピングねじ部１４を有し、
このタッピングねじ部１４は、鉄に、０．２０％以上０．２４％以下のカーボンを含む炭素鋼であって、前記タッピングねじ部１４の、前記ねじ溝と密着させた部分の全長Ｌが５ｍｍ以上１０ｍｍ以下、前記タッピングねじ部１４の、前記ねじ山１７を含まない外径Ｄが７ｍｍ以上１１ｍｍ以下、前記ねじ山１７の高さＨは０．６ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、前記ねじ山１７の最大幅Ｗは０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下、前記ねじ山１７は断面が二等辺三角形で頂角αが２０度以上４５度以下、隣り合う前記ねじ山１７の間隔Ｐ（ピッチ）は、１ｍｍ以上２ｍｍ以下で、表面を焼き入れし、前記タッピングねじ部１４の表面から０．４ｍｍまでの範囲のピッカース硬さが５００ＨＶ以上で、前記タッピングねじ部１４の表面から１．００ｍｍ以上中心部までの範囲のピッカース硬さが３００ＨＶ以下で、前記ねじ山１７を設けた部分の、前記ねじ山１７を含まない外径Ｄと、前記ねじ山１７の高さＨと、前記ねじ山１７の断面と、前記隣り合うねじ山１７の間隔Ｐはいずれも一定であって、前記タッピングねじ部１４の断面は円形であることを特徴とするねじ部材。
［実施例の構成］
〈構成１〉
鉄製の壁面に下孔を形成しその下孔にタップを立てるように挿入されるタッピングねじ部を有し、このタッピングねじ部は、鉄に、カーボンを０．１８％〜０．２６％含む炭素鋼であって、全長が５ｍｍ以上１５ｍｍ以下、ねじ山を含まない外径が５ｍｍ以上１５ｍｍ以下、ねじ山の高さは０．６ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、ねじ山の最大幅は０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下、ねじ山は断面がほぼ三角形で頂角が２０度以上４５度以下、隣り合うねじ山の間隔（ピッチ）は、１ｍｍ以上２ｍｍ以下で、表面を焼き入れし、ねじ山を含まないタッピングねじ部の表面から０．４ｍｍまでの範囲に、中心部の硬さの２倍以上の硬化層を設けたことを特徴とするねじ部材。

鉄製の壁面に下孔を形成しその下孔にタップを立てるように挿入すると、鉄製のねじ部材を電動工具で一気にねじ込んで固定することができる。各部の寸法と材質を最適化したので、４ｔ程度の引き抜き力に対して十分に耐えうるものにすることができる。

〈構成２〉
構成１に記載のねじ部材において、上記炭素鋼は、鉄に、カーボンを０．２０％〜０．２４％含むことを特徴とするねじ部材。

〈構成３〉
構成１または２に記載のねじ部材において、上記タッピングねじ部の全長は、５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とするねじ部材。

〈構成４〉
構成１乃至３のいずれかに記載のねじ部材において、上記タッピングねじ部のねじ山を含まない外径が７ｍｍ以上１１ｍｍ以下であることを特徴とするねじ部材。

〈構成５〉
構成１乃至４のいずれかに記載のねじ部材において、タッピングねじ部の表面から０．４ｍｍまでの範囲のピッカース硬さが５００ＨＶ以上で、タッピングねじ部の表面から１．００ｍｍ以上中心部までの範囲のピッカース硬さが３００ＨＶ以下であることを特徴とするねじ部材。

以下、本発明の実施の形態を実施例毎に詳細に説明する。

図１は実施例１のねじ部材を示す側面図である。
図１（ａ）のねじ部材１０は、特許文献１で紹介された構造のものである。その右側にはタッピングねじ部１４を備え、左側には連結用ねじ部１８を備え、中央には工具掛け部１９を備えている。タッピングねじ部１４の外周にはねじ山１７が設けられている。このねじ部材１０は、図１（ｂ）に示すように、土留め１２に沿って立てられたＨ鋼１３にねじ込み固定される。

図１（ｃ）に示すように、Ｈ鋼１３には予め図示しないドリルで下孔１６を形成しておく。そして、工具掛け部１９に図示しない電動工具を装着して、タッピングねじ部１４を下孔１６にタップを立てるようにねじ込み挿入する。連結用ねじ部１８は、防水シート２１とパッキング２０とを貫通し防水シート２１を支える。さらに、連結金具１５を装着して、図示しないコンクリートの型枠を支持する。防水シート２１には図の矢印Ａに示す方向に土留め１２から漏れだした地下水による水圧が加わる。また、連結金具１５には、矢印Ｂに示す方向に、図示しない型枠や型枠に流し込まれたコンクリート等による荷重が加わる。

これらの力が、ねじ部材１０をＨ鋼１３から引き抜く方向に加わる。従来はこの引き抜き力を３ｔ程度に想定してねじ部材１０を設計していれば十分であった。しかしながら、大深度地下設備の建設等では、より高い４ｔ程度の引き抜き力に耐えることが望ましい。この実施例では、その要求を満たすために、ねじ部材１０の材質と各部の寸法等を最適化した。なお、４ｔ程度の引き抜き力に耐えるねじ部材が得られると、例えば、厚みが１０ｍｍ程度の防水シートや、さらに厚みのある断熱材や内装材等を支持する用途にも使用できる。このため、連結用ねじ部１８は、長さが２０ｍｍ〜１００ｍｍに設定することができる。強度が向上するため、こうした大型のねじ部材が実現する。

上記のように、鉄製の壁面に下孔を形成しその下孔にタップを立てるように挿入すると、鉄製のねじ部材を電動工具で一気にねじ込んで固定することができる。この構造は、短時間で壁面に多数のねじ部材を取り付ける作業に適する。なお、この実施例で、鉄製の壁面というのは、シートパイルやＨ鋼、鉄板、その他、鉄や鉄合金製の壁や柱の面を含むものとする。ねじ部材も同種の鉄を主成分とするものだから、なじみが良く、ねじこむことで一体化し、高い強度が得られる。従って、全く異質のアルミニウムや木材の柱や壁は含まない。

まず、ねじ部材１０の材質は、炭素鋼である。即ち、鉄に、重量比で０．１８％以上０．２６％以下、好ましくは０．２０％以上０．２４％以下のカーボンを含む。カーボンが０．１８％未満では強度が不足し、カーボンが０．２６％を越えると著しく加工性が悪くなる。これで、鉄材の下孔にタップを立てるように挿入することができる強度を確保する。

また、図１（ａ）に示した全長Ｌが、１５ｍｍ以下、Ｈ鋼等の鋼材のばらつきを考慮したとき、安全圏として、好ましくは１０ｍｍ以下５ｍｍ以上の寸法に設定する。全長が１５ｍｍを越えると電動工具で一気にねじ込んだとき発熱量が限界を越え、その熱でタッピングねじ部１４が焼きなまされて、強度が低下する。摩擦熱の発生を許容値に押さえるために長さに制限を加えなければならない。なお、全長が５ｍｍ未満では絶対的な強度が不足するので要求される４ｔ程度の引き抜き力に対する強度が得られない。

ねじ山１７を含まない外径Ｄを５ｍｍ以上１５ｍｍ以下とする。Ｈ鋼等の鋼材のばらつきを考慮したとき、安全圏として、好ましくは７ｍｍ以上１１ｍｍ以下とする。外径が小さいと、タッピングねじ部自体で、４ｔ程度の引き抜き力に対する強度を得ることができない。外径が大き過ぎると、電動工具でねじ込むときの反力が著しく大きくなる。また、ねじ込み固定後に向きを調整しようとしても、硬過ぎて曲げることが容易でない。

ねじ山１７の高さＨは０．６ｍｍ以上１．０ｍｍ以下で、ねじ山１７の最大幅Ｗは０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下、ねじ山１７は断面がほぼ三角形で、頂角αが２０度〜４５度、隣り合うねじ山１７の間隔（ピッチＰ）は、１ｍｍ〜２ｍｍの範囲が好ましい。ねじ山１７の寸法がこれらの範囲を越えたり、ピッチがこれより密になると、大きなねじ込み力が必要で、電動工具を支える作業者に負担がかかる。一方、ねじ山１７の寸法がこれらに満たないか、ピッチがこれより粗になると、十分な引き抜き力に対する強度が得られない。ねじ山は一般に台形であるが、タッピングのためにこのねじ山１７は鋭利であることが望ましい。しかし、若干頂部に丸みを与えたり、面取りをしたものもほぼ三角形に該当するものとする。また、好ましくは左右いずれの方向からの圧力にも耐え得るように、断面がほぼ二等辺三角形であることが好ましい。

図２は、一部設計を変更したねじ部材１０の側面図である。図３はそのねじ部材１０をＨ鋼１３にねじ込み固定した状態を示す側面図である。図４は、ねじ部材１０の連結用ねじ部１８を叩いて連結用ねじ部１８の方向修正をした状態を示す側面図である。
このねじ部材１０は、工具掛け部１９とタッピングねじ部１４の間にテーパ接合部２４を設けている。このねじ部材１０をＨ鋼１３にねじ込むと、テーパ接合部２４により、工具掛け部１９とＨ鋼１３の間に若干の隙間が生じる。ここで、Ｈ鋼１３の向きが、図示しないコンクリート型枠と正対しておらず、若干傾いているとする。このときは、連結用ねじ部１８を叩いて連結用ねじ部１８の向きを正しい方向に向ける。このとき、工具掛け部１９とＨ鋼１３の間に隙間があると、図４に示すように曲げやすくなる。

上記のように、ねじ部材１０は、Ｈ鋼１３に固定後に曲げて向きを修正するときに、ある程度曲げやすく、折れたりしない材質であることが要求される。ねじ山１７（図１）の部分は可能な限り硬いことが好ましいが、ねじ部材全体があまり硬すぎては曲げたいという要求を満たさない。そこで、ねじ部材１０の表面を焼き入れして、ねじ部材１０の表面付近だけに硬化層を形成する。

図５は、ねじ山１７の部分の拡大縦断面図である。図６は、ねじ山１７とＨ鋼１３の下孔１６との関係を示す部分拡大縦断面図である。
既に説明したように、ねじ山１７の高さＨ、最大幅Ｗ、間隔（ピッチＰ）を上記の所定の寸法範囲に設定する。このねじ山１７が、Ｈ鋼１３の下孔１６（図２）の内壁のねじ切りをする。Ｈ鋼１３の下孔１６にはねじ山１７に対応するねじ溝が切られる。ねじ山１７と下孔１６のねじ溝とが密着しているとき、タッピングねじ部１４に矢印Ｆの方向の引き抜き力が加わると、ねじ山１７とＨ鋼１３のねじ溝とには、それぞれ図の短矢印に示すような反力が加わる。

タッピングねじ部１４をねじ込むＨ鋼には、強度にばらつきがある。即ち、十分に硬いＨ鋼、柔らかいＨ鋼、その中程度の硬さのＨ鋼がある。硬いＨ鋼の場合には、タッピングねじ部１４とＨ鋼の下孔１６とが強固に密着して、４ｔの引き抜き力に耐える性能が出る。即ち、図６に示すように全面にほぼ均一な力が加わり、下孔１６とねじ山１７全体で一体にその引き抜き力を受けて支えることができる。

これに対して、基準より柔らかいＨ鋼の場合、Ｈ鋼の下孔１６内で、ねじ山１７に挟まれた部分が破断して下孔のねじ溝が崩れ、タッピングねじ部１４が一気に抜けてしまう。このようなＨ鋼は全体としても強度不足で、土留め壁等には不向きであり、使用されることはまずない。しかし、ある程度強度のある中程度の硬さのＨ鋼は、コストも安く、使用される可能性が高い。この場合に、次のように従来のタッピングねじ部の引き抜き力に対する強度が不足するという問題があった。

図７（ａ）は、比較例のねじ部材１０の断面構造を示す部分縦断面図、（ｂ）はＧ−Ｇ横断面図である。
ねじ部材１０は強度を保つために、図７（ａ）に示すように、表面焼き入れをして、外径が１０ｍｍのもので深さ０．１ｍｍ付近まで硬化層２８を形成する。十分簡単に曲げ加工することができるように、必要最小限の深さについて焼き入れをする。これで、下孔にねじ込まれるときにねじ部がねじを切るための強度は十分に保持できる。その結果、図の（ｂ）に示すように、ねじ山１７を含むねじ部材１０の表面が強化され、芯部３０は柔軟性を保持する。例えば、表皮の硬化層２８部分はピッカース硬さが６５０ＨＶ、芯部３０部分は２５０ＨＶ程度になる。

図８は、上記の構造に引き抜き力が加わったときの説明図である。
図のように、中程度の硬さのＨ鋼では、引き抜き力を加えると、Ｈ鋼の下孔内でねじ山に挟まれた部分が塑性変形するため、ねじ山矢印Ｊに示すような曲げ応力が加わる。焼き入れによる硬化層は脆いため、図のようにねじ山の根元で破断が生じる。ねじ部材全体を焼き入れして強化すればこの問題は解決するが、それでは、上記の曲げ調整ができなくなる。また、無理に曲げようとすると割れが生じる。そこで、焼き入れにより強化する硬化層の厚さを最適化した。即ち、ねじ山を含まないタッピングねじ部の表面から０．４ｍｍまでの範囲に、中心部の硬さの２倍以上の硬化層を設けた。

図９は、実施例のねじ部材のねじ山部分縦断面図、図１０はその硬化層部分の強度説明図である。
この実施例では、ねじ部材の外径を１０ｍｍとした。タッピングねじ部の表面から１．００ｍｍ以上、好ましくは０．６ｍｍ以上、中心部までの範囲のピッカース硬さが３００ＨＶ以下とし、横断面から見て８０〜９０％の部分の強度を調整し曲げ特性を保持させている。一方、タッピングねじ部の表面から０．４ｍｍまでの範囲のピッカース硬さが５００ＨＶ以上になるように表面焼き入れ加工をした。これにより、中程度の硬さのＨ鋼に対して使用して、４ｔ程度の引き抜き力を加えても、ねじ山が変形したり破損せず、耐え得ることがわかった。図のグラフの縦軸はピッカース硬さ（ＨＶ）、横軸は、ねじ部材の表面から中心方向の距離（ｍｍ）である。実線が実施例、破線は比較例である。比較例は、３．５ｔでねじ山が壊れてねじ部材が抜け落ちた。

図１１は、本発明のねじ部材の条件をまとめた表である。
それぞれ、寸法等の制約条件が実線で示されている。太線の部分は、鋼材のばらつきを考慮したときの安全圏の範囲である。この範囲で、引き抜き力が４ｔに耐えるものを実現できた。以上の説明のとおり、鉄製の壁面に下孔を形成しその下孔にタップを立てるように挿入されるタッピングねじ部を有するねじ部材を、所定の寸法範囲に設計することにより、電動工具によるねじ込み時の摩擦熱に影響を受けないものを得ることができた。また、表面焼き入れによる硬化層の厚さを調整することにより、取り付け後の曲げを許容しつつ、４ｔといった高い引き抜き力にも耐えるねじ部材を実現できた。

実施例１のねじ部材を示す側面図である。 一部設計を変更したねじ部材１０の側面図である。 ねじ部材１０をＨ鋼１３にねじ込み固定した状態を示す側面図である。 ねじ部材１０の連結用ねじ部１８を叩いて連結用ねじ部１８の方向修正をした状態を示す側面図である。 ねじ山１７の部分の拡大縦断面図である。 ねじ山１７とＨ鋼１３の下孔１６との関係を示す部分拡大縦断面図である。 （ａ）は、比較例のねじ部材１０の断面構造を示す部分縦断面図、（ｂ）はＧ−Ｇ横断面図である。 ねじ部材に引き抜き力が加わったときの説明図である。 実施例のねじ部材のねじ山部分縦断面図である。 硬化層部分の強度説明図である。 本発明のねじ部材の条件をまとめた表である。

符号の説明

１０ ねじ部材
１２ 土留め
１３ Ｈ鋼
１４ タッピングねじ部
１５ 連結金具
１６ 下孔
１７ ねじ山
１８ 連結用ねじ部
１９ 工具掛け部
２０ パッキング
２１ 防水シート
２４ テーパ接合部
２８ 硬化層
３０ 芯部

Claims (1)

1. 鉄製の壁面に下孔１６を形成し、作業者に支えられて使用される電動工具を装着する工具掛け部１９を有し、前記下孔１６にタップを立てるように挿入されるものであって、
   前記下孔１６に挿入され、前記下孔１６にねじ山１７によって切られたねじ溝とねじ山１７を密着させて一体化させるタッピングねじ部１４を有し、
   このタッピングねじ部１４は、鉄に、０．２０％以上０．２４％以下のカーボンを含む炭素鋼であって、
   前記タッピングねじ部１４の、前記ねじ溝と密着させた部分の全長Ｌが５ｍｍ以上１０ｍｍ以下、
   前記タッピングねじ部１４の、前記ねじ山１７を含まない外径Ｄが７ｍｍ以上１１ｍｍ以下、
   前記ねじ山１７の高さＨは０．６ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、
   前記ねじ山１７の最大幅Ｗは０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下、
   前記ねじ山１７は断面が二等辺三角形で頂角αが２０度以上４５度以下、
   隣り合う前記ねじ山１７の間隔Ｐ（ピッチ）は、１ｍｍ以上２ｍｍ以下で、
   表面を焼き入れし、前記タッピングねじ部１４の表面から０．４ｍｍまでの範囲のピッカース硬さが５００ＨＶ以上で、前記タッピングねじ部１４の表面から１．００ｍｍ以上中心部までの範囲のピッカース硬さが３００ＨＶ以下で、
   前記ねじ山１７を設けた部分の、前記ねじ山１７を含まない外径Ｄと、前記ねじ山１７の高さＨと、前記ねじ山１７の断面と、前記隣り合うねじ山１７の間隔Ｐはいずれも一定であって、
   前記タッピングねじ部１４の断面は円形であることを特徴とするねじ部材。

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