JP4685574B2 - High strength bolt friction joints and building steel structures - Google Patents
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Description
本発明は、高い耐震性が要求される建築鋼構造物を構築する場合に、柱継手、梁継手、その他、板要素の継手に用いられる鉄骨部材の高力ボルト摩擦接合部と建築鋼構造物に関するものである。
ここで、摩擦接合とは、例えば、図9に一般例として示すように、板部材11、12の先端部を重ね合わせて、高力ボルト2で締め付け、締付軸力によって板部材11、12間に生じる摩擦力によって応力を伝達する接合方法であり、接合部に伝える応力はボルト軸と直角方向となっており、所謂せん断形式接合の範疇に入る接合である。
なお、せん断形式接合には、摩擦接合の他に支圧接合があるが、これはボルトに締付軸力を導入せず、ボルト孔での板部材の支圧抵抗とボルト軸部のせん断抵抗で応力を伝達する接合であり、締付軸力を導入する点および応力の伝達方法の点で、摩擦接合は支圧接合とは異なるものである。
The present invention relates to a high-strength bolt friction joint of steel members used for column joints, beam joints, and other joints of plate elements, and a construction steel structure when building a construction steel structure that requires high earthquake resistance. It is about.
Here, the friction joint, for example, as shown as a general example in FIG. 9, by superposing the
In addition to friction bonding, shear type bonding includes support bearing, but this does not introduce a tightening axial force to the bolt, and the bearing resistance of the plate member at the bolt hole and the shear resistance of the bolt shaft. The friction welding is different from the support pressure welding in that the fastening axial force is introduced and the stress transmission method.
建築鋼構造物を構築する鉄骨部材の高力ボルト摩擦接合の分野では、接合部のコンパクト化や加工手間、締付施工の省力化の観点からボルト本数の低減要請が高まってきており、この要請に応えるために、高力ボルトを高強度化して1本当たりの荷重伝達能力を高め、ボルト本数を低減する開発が進められてきた。
従来、高力ボルトとしては、引張強さが1000MPa級(締付軸力:1000MPa×ネジ部有効断面積×0.74)の高力ボルトが主体になっていたが、現状では、引張強さが1400MPa級(締付軸力:1400MPa×ネジ部有効断面積×0.74)の高力ボルトが使用されるようになってきている。
ここで、ネジ有効断面積とは、JIS B 1082−1987で規定されるネジの有効断面積であり、(1)式により計算されるものである。
As=π/4・{(d2+d3)/2}2・・・・・(1)
ここで
As:ネジの有効断面積
d2:高力ボルトのネジの有効径の基準寸法で、ネジ溝の幅がネジ山の幅に等しくなるような仮想的な円筒の直径
d3:高力ボルトのネジ谷径の基準寸法
(図10参照)。
In the field of high-strength bolt friction welding of steel members for building construction steel structures, there is an increasing demand for a reduction in the number of bolts from the viewpoint of compacting joints, labor and labor for tightening work. In order to respond to the above, development has been made to increase the strength of high-strength bolts, increase the load transmission capacity per one, and reduce the number of bolts.
Conventionally, high-strength bolts mainly consist of high-strength bolts with a tensile strength of 1000 MPa class (clamping axial force: 1000 MPa × threaded portion effective cross-sectional area × 0.74). However, high-strength bolts of 1400 MPa class (clamping axial force: 1400 MPa × thread portion effective cross-sectional area × 0.74) have been used.
Here, the screw effective cross-sectional area is an effective cross-sectional area of the screw defined by JIS B 1082-1987, and is calculated by the equation (1).
A s = π / 4 · {(d 2 + d 3 ) / 2} 2 (1)
Here, A s : Effective cross-sectional area of screw d 2 : Reference diameter of effective diameter of screw of high-strength bolt, and diameter of virtual cylinder where width of screw groove is equal to width of screw thread d 3 : High Standard dimensions of thread bolt diameter of force bolt (see Fig. 10).
このように、高力ボルトは、かなり高強度化が進んだものであるが、建築鋼構造物の分野で用いる高力ボルトとしては、必ずしも高強度化が十分に満足できるレベルまで達しているとは言い難い。高力ボルトを、現状技術レベルで十分に可能な1700〜2600MPa程度まで高強度化することにより、使用ボルト本数をさらに低減し、接合部のコンパクト化や、ボルト孔加工手間、および締付施工の省力化が可能である。ところが、高力ボルトに高張力を導入して使用する摩擦接合の場合には、高力ボルトの強度が1100MPa以上になると高強度化するほど遅れ破壊が発生する可能性が高くなるため、何らかの対策が必要になる。
ここで、遅れ破壊とは、金属材料が引張荷重が負荷されてから、ある時間経過後に突然破壊を生ずる現象である。
Thus, high-strength bolts have advanced considerably in strength, but as high-strength bolts used in the field of building steel structures, the high-strength bolts have not yet reached a level that can be sufficiently satisfied. Is hard to say. By increasing the strength of high-strength bolts to about 1700-2600 MPa, which is sufficiently possible at the current level of technology, the number of bolts used can be further reduced, the joints can be made more compact, and the work for tightening and tightening bolts can be reduced. Labor saving is possible. However, in the case of friction joining that uses high tension by introducing high tension to a high strength bolt, the possibility of delayed fracture increases as the strength of the high strength bolt increases to 1100 MPa or higher. Is required.
Here, delayed fracture is a phenomenon in which fracture occurs suddenly after a lapse of time after a tensile load is applied to a metal material.
技術文献1に、高力ボルトの材料に合金元素を添加することで耐遅れ破壊性能を高めた材料を用いるとともに、ネジ形状を改良することで遅れ破壊の要因の1つと考えられる応力集中を緩和する対策を講ずる技術が開示されている。しかし、これは強度レベルが1400MPa級(導入張力:1400MPa×ネジ部有効断面積×0.74)でも、未だ十分満足出来るレベルではない。
一方で、摩擦接合は、建築鋼構造物で多用されているが、建築耐震設計においては、導入張力から決定される許容耐力(中小地震に対する設計(一次設計という)で用いられるもので、「すべり耐力」をいう。)と、高力ボルトの材料強度から決定される最大耐力(大地震に対する設計で用いられるもので、高力ボルトがせん断破壊する際の「最大せん断耐力」をいう。)の2つの面から接合部設計が行われる。
したがって、大地震に対する設計でボルト本数が決定される場合には、「最大せん断耐力」(以下「最大耐力」と称する。)を強化することで、ボルト本数の低減につなげることができる。
In
On the other hand, friction welding is often used in building steel structures, but in building seismic design, it is used in the allowable strength determined from the introduction tension (design for small and medium earthquakes (called primary design). )) And the maximum strength determined from the material strength of the high strength bolt (used in designing against large earthquakes, the "maximum shear strength" when the high strength bolt undergoes shear failure). The joint design is performed from two surfaces.
Therefore, when the number of bolts is determined in the design for a large earthquake, the number of bolts can be reduced by strengthening the “maximum shear strength” (hereinafter referred to as “maximum strength”).
また、特許文献1に、本発明のようにボルト孔に鞘材(ここではスリーブ)を挿入する構造を有するワンサイドボルトが開示されている(図1、図2参照)。しかし、『前記スリーブ本体は、先端付近に他の部分よりも軟質の軟質スリーブを有し、この軟質スリーブは、前記スリーブに軸方向の圧縮荷重を加えることで、外周に膨らみ状態に座屈可能なものとする。』(段落[0006]第9〜12行目参照)とあり、スリーブ自体を軟質にして、ボルト締結時に座屈させてボルト孔より小径であるボルト頭部側にボルト締結のための鍔状変形部分(ボルト孔径より大径)を形成するものである。
したがって、締付長さよりも材長が短く、1700〜2600MPaの高強度材からなる鞘材を用いて、せん断抵抗による接合部の最大耐力を向上させる本発明とは、目的、構成、効果を全く異にするものである。
また、特許文献2に、本発明のようにボルト孔に鞘材(ここでは筒状部材)を挿入する構造を有する締結具が開示されている(第1図、第2図、第3図参照)。しかし、『筒状部材24は、S20C等の鉄系材料によって作られており、(実施例の第30〜31行目参照)・・・。実施例においては、座屈筒51とスリーブ44とが一体的に設けられているのである。・・(実施例の第48〜49行目参照)』とあり、この座屈筒は、強度が500MPa程度と低いS20C材からなり、ボルト締結時に座屈させて貫通孔(ボルト孔)より小径であるボルト頭部側にボルト締結のための係合部(貫通孔径より大径)を形成するものである。
したがって、締付長さよりも材長が短く、1700〜2600MPaの高強度材からなる鞘材を用い、せん断抵抗による接合部の最大耐力を向上させる本願とは、目的、構成、効果を全く異にするものである。
Therefore, the present invention for improving the maximum proof stress of the joint portion by shear resistance using a sheath material made of a high strength material having a material length shorter than the tightening length of 1700 to 2600 MPa has no object, structure, or effect. It is different.
Further,
Therefore, the material length is shorter than the tightening length, the sheath material made of a high strength material of 1700 to 2600 MPa is used, and the purpose, configuration and effect are completely different from the present application which improves the maximum proof stress of the joint portion by shear resistance. To do.
本発明は、遅れ破壊発生の懸念の小さい引張強さの高力ボルトを用いる場合において、接合部としての最大耐力を強化可能にして、ボルト本数を低減し、コンパクト化や加工手間、締付施工の省力化を安価に実現できる鉄骨部材の高力ボルト摩擦接合部と建築鋼構造物を提供する。 The present invention makes it possible to reinforce the maximum proof stress as a joint when using a high-strength bolt with low tensile strength that is less likely to cause delayed fracture. A high-strength bolt friction joint of steel members and a construction steel structure that can realize labor saving at low cost.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
(1)引張強さが700〜1600MPaである高力ボルトを用いた、建築鋼構造物を構築する鉄骨部材の高力ボルト摩擦接合部であって、被接合部材のボルト孔に挿入した高力ボルトの軸部とボルト孔間に、被接合部材に対する締付長さよりも材長が短く、かつ、引張強さが1700〜2600MPaである鞘材を、常時は応力を作用させないように介挿せしめ、これにより鞘材の遅れ破壊を回避し、接合部に許容耐力を超える応力が作用して高力ボルトの軸部にせん断力が作用するときには、前記鞘材の高強度特性でもって高力ボルトのせん断耐力を補強し、これにより接合部としての最大せん断耐力を強化することを特徴とする鉄骨部材の高力ボルト摩擦接合部。
(2)高力ボルトに介挿した座金と被接合部材間に、座金以上の厚さを有する板座金を介在させ、締付軸力を被接合部材に伝達して摩擦接合することを特徴とする前記(1)に記載の鉄骨部材の高力ボルト摩擦接合部。
(3)前記鞘材が、短管からなる鞘材、短管を半割した形状で高力ボルトの両側から相対するように配置する成形体からなる鞘材、および、板を筒状に成形して端面を接合しない成形体からなる鞘材のいずれかであることを特徴とする前記(1)または(2)に記載の鉄骨部材の高力ボルト摩擦接合部。
(4)前記鞘材の長さが、締付軸力を導入した状態での被接合部材の厚さの0.6〜0.9倍で、前記鞘材の厚みが、1〜5mmであることを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれか1項に記載の鉄骨部材の高力ボルト摩擦接合部。
(5)前記(1)〜(4)のいずれか1項に記載の鉄骨部材の高力ボルト摩擦接合部を1箇所以上有することを特徴とする建築鋼構造物。
なお、本発明でいう「鞘材」とは、短管や、筒状に曲げて端面を接合しない成形板、あるいは、これらを縦割りで分割した形状のものなどを意味し、これらを以下「鞘材」と総称する。また、本発明でいう鉄骨部材とは、「鉄骨部材単体」を意味し、建築鋼構造物とは、鉄骨部材を組み立ててなる「中間構造物」や、この中間構造物を複数組み立てて得られるものをいう。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and the gist thereof is as follows.
(1) A high-strength bolt friction joint of a steel member that constructs a building steel structure using a high-strength bolt having a tensile strength of 700 to 1600 MPa, and inserted into a bolt hole of a member to be joined A sheath material having a material length shorter than the fastening length for the member to be joined and a tensile strength of 1700 to 2600 MPa is inserted between the bolt shaft and the bolt hole so that no stress is applied at all times. Therefore, when the stress exceeding the allowable strength acts on the joint portion and the shear force acts on the shaft portion of the high-strength bolt, the high-strength bolt with the high-strength characteristics of the sheath material is avoided. A high-strength bolt friction joint of a steel member, wherein the shear strength of the steel member is reinforced and thereby the maximum shear strength of the joint is reinforced .
(2) A plate washer having a thickness equal to or greater than that of the washer is interposed between the washer inserted in the high-strength bolt and the member to be joined, and the fastening axial force is transmitted to the member to be joined and friction-joined. The high-strength bolt friction joint portion of the steel member according to (1).
(3) The sheath material is a sheath material composed of a short tube, a sheath material composed of a molded body arranged so as to be opposed to both sides of the high-strength bolt in a shape in which the short tube is halved, and a plate is molded into a cylindrical shape The high-strength bolt friction joint portion of the steel member according to (1) or (2), wherein the sheath member is a sheath material made of a molded body that does not join the end faces.
(4) The length of the sheath material is 0.6 to 0.9 times the thickness of the member to be joined in a state where the tightening axial force is introduced, and the thickness of the sheath material is 1 to 5 mm. The high-strength bolt friction joint part of the steel member according to any one of the above (1) to (3).
(5) An architectural steel structure having at least one high-strength bolt friction joint of the steel member according to any one of (1) to (4).
The “sheath material” as used in the present invention means a short tube, a molded plate that is bent into a tubular shape and does not join the end faces, or a shape obtained by dividing these vertically, and these are hereinafter referred to as “ Collectively referred to as “sheath material”. The steel member in the present invention means “steel member alone”, and the construction steel structure is obtained by assembling an “intermediate structure” formed by assembling steel members or a plurality of these intermediate structures. Say things.
本発明の鉄骨部材の高力ボルト摩擦接合部では、高力ボルトに締付長さより材長が短い鞘材を介挿することにより、高力ボルトを補強して接合部としての最大耐力を強化することができる。例えば、遅れ破壊発生の懸念の小さい700〜1600MPaの高力ボルトを用いる場合には、遅れ破壊発生の懸念が大きい引張強さが1700〜2600MPaの高強度材からなり締付長さより材長が短い鞘材を、常時は応力を作用させないように介挿することによって、遅れ破壊の発生を回避して、接合部としての最大耐力を発揮させる場合のみ高力ボルトの補強機能を発揮させることができる。
したがって、高力ボルトと鞘材での遅れ破壊の発生を回避することが容易であり、高力ボルト単独では700〜1600MPa級の最大耐力を確保しつつ、鞘材の機能発揮によって、最大耐力をボルト単体での最大耐力以上に増加させることができる。
これにより、大地震に対する設計でボルト本数が決定される場合には、ボルト本数を低減してコンパクト化や加工手間、締付施工の省力化を安価に実現でき、建築鋼構造物を構築する鉄骨部材の高力ボルト摩擦接合部とし適用して顕著な効果を奏するものである。
また、鞘材の補強機能を高める観点で、鞘材の厚みを大きくした場合には、被接合材のボルト孔径が高力ボルトの頭部径や座金の外径より大きくなる場合が発生し、高力ボルトを締付けても鞘材に圧縮力が作用するため、被接合材を締め付けることができなくなるが、このような場合には、座金以上の厚さと面積を有する板座金を介在させることで、締付軸力を被接合材に確実に伝達して摩擦力を確保し、同様の顕著な効果を奏することができる。
In the high-strength bolt friction joint part of the steel member of the present invention, the high-strength bolt is reinforced to reinforce the maximum strength as a joint part by inserting a sheath material having a material length shorter than the tightening length to the high-strength bolt. can do. For example, when a 700 to 1600 MPa high-strength bolt that is less likely to cause delayed fracture is used, the tensile strength is greater than 1700 to 2600 MPa, and the length is shorter than the fastening length. By inserting the sheath material so that stress is not applied at all times, the occurrence of delayed fracture can be avoided, and the reinforcement function of the high-strength bolt can be exhibited only when the maximum proof stress as a joint portion is exhibited. .
Therefore, it is easy to avoid the occurrence of delayed fracture in the high-strength bolt and the sheath material, and the high-strength bolt alone ensures the maximum yield strength of 700 to 1600 MPa class, while the maximum strength is achieved by the function of the sheath material. It can be increased beyond the maximum yield strength of a single bolt.
As a result, when the number of bolts is determined in the design for a major earthquake, the number of bolts can be reduced to reduce the size, labor, and labor of tightening work at a low cost. When applied as a high-strength bolt friction joint of a member, it has a remarkable effect.
In addition, from the viewpoint of enhancing the reinforcing function of the sheath material, when the thickness of the sheath material is increased, the bolt hole diameter of the material to be joined may be larger than the head diameter of the high strength bolt or the outer diameter of the washer, Even if a high-strength bolt is tightened, a compressive force is applied to the sheath material, so that the material to be joined cannot be tightened.In such a case, a plate washer having a thickness and area larger than the washer is interposed. The fastening axial force can be reliably transmitted to the material to be joined to ensure the frictional force, and the same remarkable effect can be obtained.
本発明の鉄骨部材の高力ボルト摩擦接合部は、例えば、常時高張力を付与しても遅れ破壊の懸念が小さい引張強さの高力ボルトを用い、高力ボルトに、締付長さより材長が短く、かつ、高力ボルトより高強度の鞘材を介挿することにより、高力ボルトを補強して摩擦接合部としての最大耐力を強化するものである。この摩擦接合部は、基本的には、高力ボルトによる締付軸力を、従来の高力ボルトと同様、ボルト材料の引張強さにネジ部有効断面積を乗じた値の0.74倍程度の引張力とし摩擦接合して得るものである。
本発明では、例えば、引張強さが700〜1600MPa級の高力ボルトを用いる場合に、常時高張力を付与した場合に遅れ破壊の懸念が大きい引張強さが1700〜2600MPaの高強度材からなり締付長さより短い鞘材を、常時は高張力を作用させないように介挿して遅れ破壊の発生を回避し、接合部に導入張力から決定される許容耐力を超える応力が作用してすべりが発生し、接合部が支圧・せん断状態になった場合に、鞘材の高強度特性を高力ボルトの補強(特に、せん断耐力補強)に機能させ、接合部としての最大耐力を従来の引張強さ700〜1600MPa級の高力ボルトを用いた場合以上に強化可能にして、上記課題を解決するものである。
The high-strength bolt friction joint of the steel member of the present invention uses, for example, a high-strength bolt with a tensile strength that has a low risk of delayed fracture even when a high tension is constantly applied. By inserting a sheath material having a short length and a strength higher than that of the high strength bolt, the high strength bolt is reinforced to reinforce the maximum proof stress as a friction joint. This friction joint basically has a tightening axial force of a high-strength bolt, 0.74 times the value obtained by multiplying the tensile strength of the bolt material by the effective cross-sectional area of the thread, as with conventional high-strength bolts. It is obtained by friction bonding with a tensile force of a degree.
In the present invention, for example, when a high strength bolt having a tensile strength of 700 to 1600 MPa is used, it is made of a high strength material having a tensile strength of 1700 to 2600 MPa, which has a great risk of delayed fracture when a high tension is always applied. A sheath material shorter than the tightening length is inserted so that high tension is not applied at all times to avoid delayed fracture, and slippage occurs due to stress exceeding the allowable yield strength determined from the introduced tension acting on the joint. However, when the joint part is in a bearing or shear state, the high strength characteristics of the sheath material function to reinforce the high-strength bolt (especially shear strength reinforcement), and the maximum tensile strength as the joint is the conventional tensile strength. The present invention solves the above-mentioned problem by making it possible to reinforce it more than when using a 700-1600 MPa class high-strength bolt.
本発明で用いる、例えば引張強さが700〜1600MPa級の高力ボルトは、現状で遅れ破壊の発生を抑制できる引張強さのボルトとして上位に評価できる強度レベルの高力ボルトである。700MPa未満の高力ボルトでは、十分なすべり耐力を確保できる締付軸力を導入できず、高力ボルトの最大耐力を上げても摩擦接合部として十分な接合強度を確保できず、結果として、ボルト本数の大幅な増加を招き非効率となる。1600MPa超級の高力ボルトを用いると遅れ破壊の発生が懸念されるので、700〜1600MPaとした。
また、引張強さが1700〜2600MPaの鞘材は、接合部としての最大耐力を従来の700〜1600MPa級の高力ボルトを用いた場合に比較して格段に強化するために必要な条件である。
なお、本発明の高力ボルト摩擦接合部は、鉄骨部材の高力ボルト摩擦接合部として適用するものであるが、接合部位に要求される接合部特性に応じて、一部の接合部位にのみ適用して、本発明以外の他の接合部を併用して建築鋼構造物を構築することもできる。
高力ボルト摩擦接合は、建築鋼構造物で多用されているものであり、建築耐震設計においては、導入張力から決定される許容耐力と、高力ボルトの材料強度から決定される最大耐力の2つの面から接合部設計が行われる。したがって、大地震に対する設計でボルト本数が決定される場合には、最大耐力を強化することで、ボルト本数の低減につなげることができる。
The high-strength bolt having a tensile strength of 700 to 1600 MPa, for example, used in the present invention is a high-strength bolt having a strength level that can be evaluated as a high-strength bolt that can suppress the occurrence of delayed fracture at present. With a high-strength bolt of less than 700 MPa, it is not possible to introduce a tightening axial force that can ensure a sufficient sliding strength, and even if the maximum strength of the high-strength bolt is increased, a sufficient joint strength cannot be secured as a friction joint, It causes a significant increase in the number of bolts and becomes inefficient. When a high-strength bolt exceeding 1600 MPa is used, there is a concern about the occurrence of delayed fracture, so the pressure was set to 700 to 1600 MPa.
In addition, the sheath material having a tensile strength of 1700 to 2600 MPa is a necessary condition for remarkably strengthening the maximum proof stress as a joint as compared with a conventional high strength bolt of 700 to 1600 MPa class. .
In addition, although the high strength bolt friction joint part of this invention is applied as a high strength bolt friction joint part of a steel frame member, according to the joint part characteristic requested | required of a joining part, it is only to some joining parts. It is also possible to construct an architectural steel structure by using joints other than the present invention in combination.
High-strength bolt friction joining is frequently used in building steel structures. In building seismic design, the allowable strength determined from the introduction tension and the maximum strength determined from the material strength of the high-strength bolt are 2 The joint design is done from one side. Therefore, when the number of bolts is determined in the design for a large earthquake, the number of bolts can be reduced by enhancing the maximum proof stress.
本発明者らは、特に、接合部としての「最大耐力」を強化することに着目し、「すべり耐力」は、従来の700〜1600MPa級の高力ボルトを用いることで従来同等レベルを確保し、この高力ボルトを他の手段で補強して接合部としての「最大耐力」を強化することを着想した。
すなわち、例えば引張強さが1700MPa以上の高力ボルトを使用した場合では、常時、高張力を付与した状態で使用すると遅れ破壊発生の可能性が高まるため、締付軸力を下げて使用することになり、高強度化の効果を十分に享受できない。高力ボルト摩擦接合の場合には、接合部としての最大耐力は、最終的には高力ボルトのせん断耐力に支配されることなどの知見に基づいて、
(1)締付軸力を、ボルト材料の引張強さにネジ部有効断面積を乗じた値の0.74倍程度の引張力として、遅れ破壊を発生する懸念の小さい、従来の引張強さ700〜1600MPa級の高力ボルトを用いる。
(2)高力ボルトのせん断耐力を、例えば使用する高力ボルトより高強度で常時高張力を付与した場合に遅れ破壊を生じやすい1700MPa級以上の高強度材を遅れ破壊を発生しない条件で用いて補強することによって、接合部としての最大耐力を増加させる。
ことを着想し、実験(検討)を重ねた結果、本発明の要件を満足させれば、許容耐力を従来の700〜1600MPa級の高力ボルトを使用した場合と同等以上に確保して、接合部としての最大耐力を引張強さ700〜1600MPa級の高力ボルトを用いた場合以上に強化することが可能になり、上記課題を有利に解決できることを確認するに至ったものである。
In particular, the inventors focused on strengthening the “maximum proof stress” as a joint, and the “slip proof strength” secured the same level as before by using conventional 700 to 1600 MPa class high strength bolts. The idea was to reinforce this “high strength bolt” by other means to strengthen the “maximum proof stress” as a joint.
That is, for example, when a high-strength bolt with a tensile strength of 1700 MPa or more is used, the possibility of delayed fracture will increase if it is always used with high tension applied. Therefore, the effect of increasing the strength cannot be fully enjoyed. In the case of high-strength bolt friction welding, based on the knowledge that the maximum proof stress as a joint is ultimately governed by the shear strength of the high-strength bolt,
(1) The conventional tensile strength that is less likely to cause delayed fracture when the tightening axial force is approximately 0.74 times the value obtained by multiplying the tensile strength of the bolt material by the effective sectional area of the thread. A 700-1600 MPa class high strength bolt is used.
(2) The shear strength of the high-strength bolt is higher than that of the high-strength bolt used. For example, a high-strength material of 1700MPa class or higher, which is likely to cause delayed fracture, is used under conditions that do not cause delayed fracture. The maximum proof stress as a joint portion is increased by reinforcing them.
As a result of repeated experimentation (examination), if the requirements of the present invention are satisfied, the allowable proof stress is ensured to be equal to or higher than that in the case of using a conventional 700 to 1600 MPa class high strength bolt. The maximum proof stress as a part can be strengthened more than when a high strength bolt having a tensile strength of 700 to 1600 MPa is used, and it has been confirmed that the above problems can be advantageously solved.
図1(a)は、本発明の高力ボルト摩擦構造(例)を模式概念図で示したものである。ここでは、被接合材が厚鋼板11、12であり、双方の接合部を重ね合わせて引張強さが700〜1600MPa級の高力ボルト2を用い、その頭部側とナット3側に座金4を介挿して1面摩擦接合した場合を示しており、締付軸力の導入による摩擦力は、主に厚鋼板11、12の接合面間に作用(厚鋼板11、12の外面と座金4間などにも作用)し、接合部に対して摩擦力を超える大きな応力が作用した時には、すべりが生じて厚鋼板11、12の接合面領域の高力ボルト2軸部にせん断力が作用し、高力ボルト2が破断に至る。
そこで、本発明では、高力ボルト2の軸部に、引張強さが1700〜2600MPaの高強度材で形成した、締付長さLより短い材軸長さLsの鞘材5を挿入して、接合部に対して摩擦力を超える大きな応力が作用して高力ボルト2軸部にせん断力が作用したとき、鞘材5の強度範囲内で高力ボルト2のせん断耐力を補強することによって接合部としての最大耐力を強化するものである。
本発明では、引張強さが1700〜2600MPaの鞘材5を用いるが、このような高強度材は、現状で実現可能な範囲で、最大耐力を現状レベルより格段に強化するという要請に応えるために、本発明では、不可欠(大前提)な条件である。引張強度が1700MPa未満だと、高力ボルト強度と同程度となるため、鞘材の効果を奏しないので、1700MPa超とした。また、2600MPa超だと鋼板のコストから見合わないので、2600MPa以下とした。
Fig.1 (a) shows the high strength bolt friction structure (example) of this invention with a schematic conceptual diagram. Here, the materials to be joined are the
Therefore, in the present invention, the
In the present invention, the
この鞘材5は、基本的には、高強度鋼材・超合金・特殊金属からなるもので、図2(a)に示すような短管からなる鞘材5や、図2(b)に示すような、短管を半割したような形状で、高力ボルト2の両側から相対するように配置する成形体5a、5bからなる鞘材51 、あるいは図2(c)に示すような例えば板を筒状に成形して、端面を接合しない成形体からなる鞘材52(弾性を利用し高力ボルト2軸に密着挿入が容易)などが代表的なものである。
これらの鞘材(ここでは5で代表説明)は、少なくとも、高力ボルト2軸に対するせん断力に抗するようにボルト孔1oと高力ボルト2軸間に介在させるものである。この場合、高力ボルト2軸部の全周をカバーすることは不可欠ではないが、鞘材5がボルト孔1oと高力ボルト2軸間で移動しても安定的に機能させるために、全周をカバーするように介在させることがより好ましい。
This
These sheath materials (represented by 5 here) are interposed between the bolt hole 1o and the two high-strength bolt shafts so as to resist at least the shearing force on the two high-strength bolt shafts. In this case, it is not indispensable to cover the entire circumference of the high-strength bolt biaxial portion, but in order to function stably even when the
この鞘材5の条件としては、高強度特性を効率的に機能させるために、例えば下記(1)〜(4)を満たしていることが好ましい。これらの条件は、接合対象の板状部(ここでは厚鋼板)条件、摩擦面の形成条件、高力ボルト(ナット、座金を含む)条件、締付軸力、許容耐力、要求最大耐力などに応じて選択するものである。
(1)長さLs:高力ボルト2の締付長さLより若干短くする。これは、鞘材5に常時は応力が作用しないようにして、鞘材5の遅れ破壊を回避するためである。ただし、少なくとも、高力ボルト2に対するせん断力作用域を十分にカバーできる長さが必要がある。(ここでは、鞘材5の長さは締付軸力を導入した状態での厚鋼板11の厚さ+厚鋼板12の厚さの0.6〜0.9程度あれば、常時は締付軸力が作用することはなく、遅れ破壊の懸念を排除しながら十分に機能できる。)。
(2)内径d:高力ボルト2軸径+0超〜1mm程度。鞘材5の高強度特性の寄与率を高めるには、高力ボルト2軸と鞘材5の内面間の隙間は小さい程よいが、鞘材5を高力ボルト2軸に円滑に挿入するための隙間を形成するために必要である。
(3)厚みt:1〜5mm程度。1mm以上必要な理由は、十分な形状剛性を維持して、高強度特性を安定確保するために必要な厚さである。5mm超の厚さの場合、図3に示すように、ボルト孔1oの径が大きくなり過ぎ、高力ボルト2頭部径やナット3の外径に近くなり過ぎ、または超えることにあなるため、締付軸力を伝達するために標準的な座金4の他に板座金4wを使用するなど接合部形成するための加工、施工負荷の増大、締付軸力伝達の不安定などの問題を生じるので、好ましくは5mm程度までの範囲である。
(4)鞘材5とボルト孔1oとの隙間:0超〜1mm程度。鞘材の高強度特性の寄与率を高めるには、高力ボルト2軸と鞘材5とボルト孔1o面間の隙間は小さい程よいが、鞘材5を高力ボルト2軸とボルト孔1o間に円滑に配置(挿入)するために隙間が必要である。ただし、隙間が大きすぎるとガタ発生につながるため、1mm程度以下とした方がよい。なお、この鞘材5は、一般的な製管法や冷間成形などによって容易に量産可能である。
As conditions for this
(1) Length Ls: slightly shorter than the tightening length L of the
(2) Inner diameter d: High-strength bolt biaxial diameter + over 0 to about 1 mm. In order to increase the contribution ratio of the high-strength characteristics of the
(3) Thickness t: about 1 to 5 mm. The reason why 1 mm or more is necessary is a thickness necessary for maintaining sufficient shape rigidity and ensuring stable high strength characteristics. When the thickness exceeds 5 mm, the diameter of the bolt hole 1o becomes too large, too close to the head diameter of the
(4) Gap between
本発明で用いる高力ボルト2は、引張強さが700〜1600MPa級の高力ボルトで、ボルト形式としては、主として、JIS B 1186−1995で規定される摩擦接合用高力六角ボルト・六角ナット・平座金セットの他、図4(a)に示すに示すように、軸部2aにナット3を螺合する雄ネジ2sを有し、締付トルク導入機構(ピンテール)6を先端部に備え、ナット3とピンテール6を協動させ、締付トルク管理しながら締め付けできる公知のトルシア形高力ボルト21、あるいは図4(b)に示すように、軸部7aにナット3を螺合する雄ネジ7sを有し、締付トルク導入機構(ピンテール)6を頭部に備え、このピンテール6と頭部座面に介挿した角形座金8を協動させ、締付トルク管理しながら締め付けできる公知の頭締めトルシア形高力ボルト7を用いるものである。ただし、他の形式の高力ボルトを除外するものではない。
なお、頭締めトルシア形高力ボルト4の角形座金5以外の座金は、必要に応じて使用するものである。
ナットの特性については、硬さが最小でHRB95、最大でHRC35、座金の特性については、硬さがHRC35〜45のものであればよい。
また、添板や接合金物を用いる場合では、その特性は、接合対象の部材と同じ程度以上であることが好ましい。
なお、本発明で用いる高力ボルト2、7、ナット3、座金4、添板や接合金物は、すべて同じ特性のものを用いることは不可欠ではない、接合部位によって、また同じ接合部位内でも、荷重負担に応じて使い分けることもでき、また、従来レベルの特性のものを併用することも考慮する。
The high-
In addition, washers other than the
The characteristics of the nut, hardness H R B95 a minimum, up to H R C35, for the characteristics of the washer, hardness, may be those of the H R C35~45.
In the case of using an accessory plate or a joint metal, it is preferable that the characteristic is equal to or higher than that of the member to be joined.
In addition, it is not indispensable that the
なお、本発明を適用する高力ボルト摩擦接合部としては、上記実施形態例以外に、例えば
(1)図5に示すように、厚鋼板11、12を接合対象として、接合部を微小間隙aを生じるように突き合わせ、突き合わせた厚鋼板11、12に跨がって、上下面に当接した添板8を介して高力ボルト2で2面摩擦接合(添板を1枚にして1面摩擦も可)をする高力ボルト摩擦接合部。
(2)図6に示すように、角形鋼管91、92による柱材を接合対象として、材軸方向に突き合わせ、4面を、それぞれ、内部側と外部側に当接した添板10を介して高力ボルト2で2面摩擦(添板を1枚にして1面摩擦も可)の摩擦接合をする高力ボルト摩擦接合部。
(3)図7に示すように、H形鋼梁111、112を接合対象として、軸方向に間隙aを生じるように突き合わせた上下フランジ11a、11bに跨がって、それぞれ、上下面に当接した添板121、122を介して高力ボルト2で2面摩擦(1面摩擦も可)の摩擦接合をする高力ボルト摩擦接合部。
などが代表的なものである。
As the high strength bolt friction joint applying the present invention, in addition to the above embodiment, for example, (1) as shown in FIG. 5, the
(2) As shown in FIG. 6, as the bonding target column member by
(3) As shown in FIG. 7, the upper and lower surfaces of the H-shaped steel beams 11 1 and 11 2 are bonded to the upper and
Etc. are typical ones.
図1に示すように、被接合材である590MPa級(降伏点440MPa級)で、厚さ25mm、幅100mmの厚鋼板11、12を重ね合わせて、1400MPa級の高力ボルト2(M20)を材軸方向に2本(幅方向1列)用いて1面摩擦接合する場合において、付与荷重を0kN〜ボルトが破断するまで漸増させて、鞘材の効果を確認する実験を行った。鞘材を介在させない従来の摩擦接合部の場合とともに実験結果を図8に示す。なお、この実験では、付与荷重と接合部の伸び変化において高力ボルトの破断までの接合部性能を評価した。
従来の摩擦接合部の場合では、鞘材以外の条件は実験例と同じである。
[実験条件]
高力ボルト(SHTB)
軸径:20mm
引張強さ:1400MPa
締付長さ:50mm
ボルト孔
孔径:24mm
ピッチ:60mm
鞘材(2000MPa級鋼材)
内径:20.5mm
厚さ:1.0mm
引張強さ:2000MPa
ナット:硬さ HRC 35
座金:硬さ HRC 40
締付軸力:(1400MPa×ネジ部有効断面積×0.74)=290kN
As shown in FIG. 1, high-
In the case of the conventional friction joint part, conditions other than a sheath material are the same as an experimental example.
[Experimental conditions]
High strength bolt (SHTB)
Shaft diameter: 20mm
Tensile strength: 1400 MPa
Tightening length: 50mm
Bolt hole Hole diameter: 24mm
Pitch: 60mm
Sheath material (2000MPa steel)
Inner diameter: 20.5mm
Thickness: 1.0mm
Tensile strength: 2000 MPa
Nut: Hardness H R C 35
Washer: Hardness H R C 40
Tightening axial force: (1400 MPa × effective area of threaded portion × 0.74) = 290 kN
[実験例]
(1).図8に示すように、鞘材を介在させた本発明の摩擦接合部では、一次設計の耐力レベルに相当する250kNで「すべり」が発生し、その後、被接合材とボルトおよび鞘材とが支圧・せん断状態となり、荷重が上昇し、660kNで最大値を示し、その後若干の荷重低下を示した後、ボルトおよび鞘材がせん断破壊した。
(2).(1)から、本発明の摩擦接合部の接合部としての最大耐力は、660MPa程度と評価できる。なお、破断した後の高力ボルトには、遅れ破壊の発生の痕跡は認められなかった。また、鞘材はせん断破壊したが、遅れ破壊の発生は認められなかった。
[Experimental example]
(1). As shown in FIG. 8, in the friction joint portion of the present invention with the sheath material interposed, “slip” occurs at 250 kN corresponding to the proof stress level of the primary design. The bearing and shear conditions were reached, the load increased, showed a maximum value at 660 kN, and then showed a slight decrease in load.
(2). From (1), the maximum proof stress as a joint part of the friction joint part of this invention can be evaluated to be about 660 MPa. In addition, the trace of the occurrence of delayed fracture was not recognized in the high strength bolt after the fracture. Although the sheath material was sheared, no delayed fracture was observed.
[従来例]
(3)これに対して、鞘材を介在させない摩擦接合部では、図8に示すように、一次設計の耐力レベルに相当する250kNで「すべり」が発生し、その後、被接合材とボルトとが支圧・せん断状態となり、荷重が上昇し、550kNで最大値を示し、その後若干の荷重低下を示した後、ボルトがせん断破壊した。
(4).(3)から、この摩擦接合部の接合部としての最大耐力は、550MPa程度と評価できる。なお、破断した後の高力ボルトには、遅れ破壊の発生の痕跡は認められなかった。
[Conventional example]
(3) In contrast, as shown in FIG. 8, in the friction bonded portion where no sheath material is interposed, “slip” occurs at 250 kN corresponding to the proof stress level of the primary design. Became a bearing / shear state, the load increased, showed a maximum value at 550 kN, and then showed a slight load drop, after which the bolt was shear broken.
(4). From (3), it can be evaluated that the maximum proof stress as the joint of this friction joint is about 550 MPa. In addition, the trace of the occurrence of delayed fracture was not recognized in the high strength bolt after the fracture.
以上の結果から、高強度の鞘材を介在させた本発明の摩擦接合部は、一次設計に対する許容耐力を、従来の鞘材を介在させない摩擦接合部と同等に確保し、かつ、接合部としての最大耐力を約1.2倍程度に強化できることが確認できた。これにより、最大耐力でボルト本数が決定されるような接合部では、ボルト本数を大幅に低減することが可能であることは明らかである。 From the above results, the friction joint of the present invention interposing a high-strength sheath material ensures the allowable strength for the primary design equivalent to the conventional friction joint without interposing the sheath material, and as a joint It was confirmed that the maximum proof stress of can be increased to about 1.2 times. As a result, it is clear that the number of bolts can be significantly reduced at the joint where the number of bolts is determined by the maximum proof stress.
本発明は上記の実施例の内容に限定されるものではなく、適用する接合部位に要求される接合部特性に応じて、用いる高力ボルトの形式、引張強さ、ボルト本数、締付軸力、鞘材の材質、引張強さ、形状などの条件を請求項を満足する範囲内で変更のあるものである。 The present invention is not limited to the contents of the above-described embodiment, and depending on the joint characteristics required for the joint part to be applied, the type of high-strength bolt to be used, the tensile strength, the number of bolts, and the tightening axial force The material of the sheath material, the tensile strength, the shape and the like are changed within a range satisfying the claims.
11、12 厚鋼板 1o ボルト孔
2 高力ボルト 21 高力ボルト(トルシア形)
2a 軸部 2s 雄ネジ
3 ナット 4 座金
5、51、52 鞘材 6 ピンテール
7 高力ボルト(頭部締めトルシア形)
7a 軸部 7s 雄ネジ
8 角形座金 91、92 角形鋼管(柱材)
10 添板 111、112 H形鋼梁
11a 上フランジ 11b 下フランジ
121、122 添板
1 1 , 1 2 Thick steel plate
2a Shaft 2s
10
Claims (5)
被接合部材のボルト孔に挿入した高力ボルトの軸部とボルト孔間に、被接合部材に対する締付長さよりも材長が短く、かつ、引張強さが1700〜2600MPaである鞘材を、常時は応力を作用させないように介挿せしめ、これにより鞘材の遅れ破壊を回避し、
接合部に許容耐力を超える応力が作用して高力ボルトの軸部にせん断力が作用するときには、前記鞘材の高強度特性でもって高力ボルトのせん断耐力を補強し、これにより接合部としての最大せん断耐力を強化することを特徴とする鉄骨部材の高力ボルト摩擦接合部。 A high-strength bolt friction joint of a steel member for constructing a construction steel structure using a high-strength bolt having a tensile strength of 700 to 1600 MPa ,
A sheath material having a material length shorter than the tightening length for the member to be joined and a tensile strength of 1700 to 2600 MPa between the shaft portion of the high strength bolt inserted into the bolt hole of the member to be joined and the bolt hole , Insert it so as not to apply stress at all times, thereby avoiding delayed destruction of the sheath material,
When a stress exceeding the allowable strength acts on the joint and a shear force acts on the shaft portion of the high strength bolt, the shear strength of the high strength bolt is reinforced by the high strength characteristics of the sheath material, thereby A high-strength bolt friction joint for steel members characterized by strengthening the maximum shear strength of steel.
前記鞘材の厚みが、1〜5mmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の鉄骨部材の高力ボルト摩擦接合部。The thickness of the said sheath material is 1-5 mm, The high strength bolt friction junction part of the steel frame member of any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned.
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