JP6205964B2 - 高力ボルトの摩擦接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、高力ボルトの摩擦接合構造に関する。

従来、高力ボルトの摩擦接合において過大孔を用いる場合、中板の両側に添板を用いた接合部の場合には、その中板に過大孔を形成し、添板は標準孔としているのが一般的である。例えば、過大孔は、高力ボルトの呼び径ｄがｄ≦２２ｍｍの場合においてｄ＋４ｍｍまでの孔径とされており、一構造用鋼材を用いた場合は耐力の低減係数が０．８５となる。また、中板を長孔とした場合には、その長径が２．５ｄ以内で応力方向が直交以外のとき、耐力の低減係数を０．７とするのが一般的であり、「鋼構造接合部設計指針（日本建築学会）」でも規定されている。

また、ボルト接合において、２枚の薄板に開けた過大孔を相対的にずらし、薄板をボルトで締め付けることにより、孔周辺部分の板をボルト孔に押し込ませることにより、上述した相対的なずれを抑制することが、例えば特許文献１に記載されている。

特許文献１には、前述の方法のほかに薄板材の接合部を挟み込んで相対する、傾斜面を形成したワッシャーの凸部と凹部間、または傾斜面を形成した高力ボルト頭部の凸部とワッシャーまたはワッシャーを兼ねる接合金物の凹部との間で、挟み込んだ薄板材の接合部を、高力ボルト・ナットによる締結力で押し込んで変形薄板材に面外方向の変形部分を作り、一方で、薄板材の面外方向の移動をワッシャーや高力ボルトや接合金物により拘束することで接合部耐力を強化する高力ボルト接合構造について開示されている。

特許第４８０５１８９号公報

しかしながら、従来の高力ボルトの摩擦接合構造では、以下のような問題があった。
すなわち、従来の場合、過大孔を有する鋼板同士を摩擦接合しようとすると標準孔の添板を介しての接合となるため、板厚の薄い鋼板同士を直接ボルト接合するような簡易な摩擦接合部の場合は部品数が増えてコストアップとなってしまう。また、板厚の薄い鋼板同士の簡易な摩擦接合部に過大孔が採用できないと高い施工精度が要求されることになり、さらに、過大孔を採用するには板厚が薄く強度面で不安があるという問題があった。一方で、過大孔に直接高力ボルトのワッシャーを接触させると、ワッシャーと鋼板の接触面積が小さいため、特に板厚の薄い鋼板はワッシャーが当接する部分を圧壊させてしまうおそれがあった。

また、特許文献１の場合には、ワッシャーとボルト孔とが同心円だと、ワッシャー径をかなり大きくしないと、ワッシャーが押圧されてボルト孔に押し込まれるという問題があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、高力ボルトの位置調整範囲を大きくすることができ、接合する鋼板同士の可動範囲を広くすることを可能にしながら、鋼板とワッシャーの接触面積を安定的に確保することで、安定した耐力を得ることができる高力ボルトの摩擦接合構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る高力ボルトの摩擦接合構造では、ボルト呼び径の１／２以下の板厚の鋼板同士を突き合わせて、両鋼板に対して添板を重ね合わせて接合する高力ボルトの摩擦接合構造であって、接合する前記２枚の鋼板は、それぞれに開けられたボルト孔が長孔に形成され、前記各鋼板の長孔同士が互いに長径方向を直交するようにして配置され、又は、前記添板における前記２枚の鋼板の各別に対応する重合せ部分には、それぞれに開けられたボルト孔が長孔に形成され、当該添板が前記各重合せ部分の長孔同士が互いに長径方向を直交するようにして前記２枚の鋼板に重ね合され、前記長孔に前記高力ボルトがワッシャーを介して挿通されて締結されていることを特徴としている。

本発明に係る高力ボルトの摩擦接合構造では、同心円の過大孔に比べて、ワッシャーの鋼板に対する接触面積が長孔の長径軸に対して常に対称かつ一定以上となるので、安定した接合性能を確保することができる。特に、ボルト呼び径の１／２以下の薄い鋼板では材間圧縮力分布範囲が小さいため、一定以上の接触面積を確保することは長孔を開けた摩擦接合構造を効果的に実現することができる。

また、本発明では、２枚の鋼板、又は添板の重合せ部分の長孔同士の長径方向が直交しているので、高力ボルトの位置調整範囲を大きくすることができ、鋼板の可動範囲をＸＹ２方向に広く確保することができる。そのため、接合する２枚の鋼板側の施工精度を緩和することが可能となり、施工の効率を高めることができる。

また、本発明に係る高力ボルトの摩擦接合構造では、前記ワッシャーの外径は、ボルト呼び径の２．５倍を超えていることがより好ましい。

この場合には、ワッシャーを大径とすることで、ワッシャーによるボルト孔（長孔）の圧壊を抑制することができるので、厚さが薄い鋼板でボルト孔が長孔の場合にも高力ボルト摩擦接合部を使用することができる。これにより、従来のような添板の使用を省略することができ、部品数の増加を抑えることができる。

また、本発明に係る高力ボルトの摩擦接合構造では、前記ワッシャーの厚みは、ボルト呼び径の０．３５倍以上であることが好ましい。

この場合には、ワッシャーを大径にすることによる変形を抑制することができ、より効果的である。

また、本発明に係る高力ボルトの摩擦接合構造では、前記鋼板は、亜鉛めっき鋼板であることが好ましい。

このように構成される高力ボルトの摩擦接合構造では、防食性を確保することができるとともに、長孔によるすべり耐力の低減を抑えることができる。

また、本発明に係る高力ボルトの摩擦接合構造では、前記鋼板の摩擦面は、りん酸塩処理が施されていることが好ましい。

本発明の高力ボルトの摩擦接合構造では、鋼板が亜鉛めっき鋼板である場合の摩擦面において安定したすべり係数を確保することができる。

本発明の高力ボルトの摩擦接合構造によれば、高力ボルトの位置調整範囲を大きくすることができ、接合する鋼板同士の可動範囲を広くすることを可能にしながら、鋼板とワッシャーの接触面積を安定的に確保することで、安定した耐力を得ることができる効果を奏する。

本発明の第１の実施の形態によるボルト接合構造を示す一部破断側面図である。 図１のボルト接合構造を平面視で９０°ずらした方向から見た一部破断側面図である。 ボルト接合構造の平面図である。 ２枚の鋼板を接合する前の状態を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ワッシャー径およびワッシャー厚の根拠を説明するための図である。 第１変形例によるボルト接合構造を示す一部破断側面図であって、図１に対応する図である。 図６に示すボルト接合構造の平面図であって、図３に対応する図である。 第２の実施の形態によるボルト接合構造を示す一部破断側面図である。 図８に示す鋼板と添板の接合前の平面図である。 図８に示すボルト接合構造の平面図であって、高力ボルトを省略した図である。 第２変形例によるボルト接合構造を示す図であって、鋼板と添板の接合前の平面図である。 図１１に示すボルト接合構造の平面図であって、図１０に対応する図である。 第３変形例によるボルト接合構造の平面図であって、図１２に対応する図である。

以下、本発明の実施の形態による高力ボルトの摩擦接合構造について、図面に基づいて説明する。

（第１の実施の形態）
図１〜図３に示すように、本第１の実施の形態の高力ボルトの摩擦接合構造（以下、単に「ボルト接合構造１」という）は、２枚の鋼板３（３Ａ、３Ｂ）を接合するものであり、接合する２枚の鋼板３Ａ、３Ｂに開けられたボルト孔が長孔３１、３２に形成され、鋼板３Ａ、３Ｂ同士を直接重ね合わせた状態でそれぞれの長孔３１、３２同士（図４参照）の長径方向Ｘ、Ｙを互いに直交させて配置され、その長孔３１、３２同士の重なる交差部にワッシャー４を介して高力ボルト２が挿通されて締結された構成となっている。

２枚の鋼板３Ａ、３Ｂは、互いに重ね合わせて当接され、それぞれが高力ボルト２の呼び径の１／２以下の板厚ｔ１を有している。そして、長孔３１（又は３２）を有する鋼板３は、亜鉛めっき鋼板からなり、その摩擦面３ａは、全面にわたってりん酸塩処理されている。

図３に示すように、ワッシャー４は、外径がボルト呼び径ｄ（図５（ａ）参照）の２．５倍（２．５ｄ）を超える（≧２．５ｄ）とともに、ワッシャー厚みｔ２（図１参照）がボルト呼び径ｄの０．３５倍以上（ｔ２≧０．３５ｄ）に設定されている。なお、ワッシャー４は円形としたが、矩形でもよい。矩形の場合は内接する円の直径を２．５倍とすればよい。

図５（ａ）に示すように、ボルト孔が円形孔の場合において、高力ボルト２の呼び径ｄが１６ｍｍ、ボルト孔径Ｄｈが１８ｍｍ、ワッシャー外径Ｄｏが３２ｍｍの場合には、ワッシャー４が鋼板３に接触する第１接触面積Ａ１が５５０ｍｍ^２となる。

一方、図５（ｂ）に示すように、ボルト孔が本実施の形態のように長孔３１（３２）の場合において、この長孔３１（３２）を無限長と仮定した場合が最少の接触面積となり、これ以上（一定以上）の耐力を安定して確保できる。この最少の接触面積は、ｃｏｓθ＝Ｄｈ／Ｄｏとなる。そして、高力ボルト２の呼び径ｄが１６ｍｍ、ボルト孔径が１８ｍｍ、ワッシャー外径Ｄｏが４０ｍｍの場合における第２接触面積Ａ２が５６２ｍｍ^２（≒第１接触面積Ａ１）となる。これにより、ワッシャー外径Ｄｏが４０ｍｍで第２接触面積Ａ２と第１接触面積Ａ１がほぼ同じとなり、図５（ｃ）に示すように、このワッシャー外径Ｄｏの４０ｍｍがボルト呼び径ｄ＝１６ｍｍの２．５倍となる。

そして、図５（ｃ）に示すように、ワッシャー４の厚みは、高力ボルト２の呼び径ｄが１６ｍｍの場合、従来のワッシャーの厚みが通常４．５ｍｍ（０．２８ｄ）に対し、本実施の形態では６ｍｍ（０．３５ｄ以上）としている。高力ボルト２の呼び径ｄが１６ｍｍ用ナット２Ａがワッシャー４に接触する面の径（Ｄｎ）は通常２５ｍｍであり、ワッシャー４の自由端の長さＬは、ワッシャー４の外径を大きくしているため７．５ｍｍとなり、従来のワッシャーの長さ（＝３．７５ｍｍ）に比べて長い。そこで、本実施の形態のワッシャー４では、変形を防止するために厚みを増やし、従来のワッシャーの曲げ剛性の約２倍（（６．０／４．５）＾３）の剛性を確保している。

また、ワッシャー４の厚みが高力ボルト２の呼び径の０．３５倍以上とする別の理由について説明する。
例えば、５５度程度の方向に応力が伝達すると仮定すると、ワッシャー４の必要厚みは５．３ｍｍとなる。このときワッシャー４の厚みは高力ボルト２の呼び径の０．３３となる。したがって、ワッシャー４の厚みは高力ボルト２の呼び径の０．３５倍以上であれば所期の強度を確保することができる。なお、伝達角度５５度は、一般的な伝達角度と言われている４０度〜５０度を確実にカバーするため５度の余裕を加えた角度である。

次に、上述したボルト接合構造１の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
図５（ｂ）に示すように、本実施の形態のボルト接合構造では、同心円の過大孔に比べて、ワッシャー４の鋼板３Ａ、３Ｂに対する接触面積Ｓが長孔３１、３２の長径軸に対して常に対称かつ一定以上となるので、安定した接合性能を確保することができ、しかもワッシャー４が大径となっているので、鋼板３の長孔部分へめり込むことを防止することができる。特に、ボルト呼び径の１／２以下の薄い鋼板３では材間圧縮力分布範囲が小さいため、一定以上の接触面積を確保することは長孔３１、３２を開けたボルト接合構造１を効果的に実現することができる。

また、本実施の形態では、図３に示すように、２枚の鋼板３Ａ、３Ｂの長孔３１、３２同士の長径方向ＸＹが直交しているので、高力ボルト２の位置調整範囲を大きくすることができ、鋼板３Ａ、３Ｂの可動範囲をＸＹ２方向に広く確保することができる。そのため、接合する２枚の鋼板３Ａ、３Ｂ側の施工精度を緩和することが可能となり、施工の効率を高めることができる。

また、ボルト接合構造１では、ワッシャー４の外径がボルト呼び径の２．５倍を超える大径とすることで、ワッシャー４によるボルト孔（長孔３１、３２）の圧壊を抑制することができるので、本実施の形態のように長孔３１、３２の場合にも高力ボルト摩擦接合部を使用することができる。そのうえ、従来のような添板の使用を省略することもでき、部品数の増加を抑えることができる。

また、本実施の形態では、ワッシャー４の厚みがボルト呼び径の０．３５倍以上となる肉厚にすることで、ワッシャー４を大径にすることによる変形を抑制することができ、さらに効果を高めることができる。

さらに、本実施の形態のボルト接合構造１では、鋼板３が亜鉛めっき鋼板であるので、防食性を確保することができるとともに、長孔３１、３２によるすべり耐力の低減を抑えることができる。

さらにまた、本実施の形態のボルト接合構造１では、鋼板３の摩擦面にりん酸塩処理が施されているので、その鋼板３の摩擦面において安定したすべり係数を確保することができる。

本実施の形態のボルト接合構造１では、高力ボルト２の位置調整範囲を大きくすることで、接合する２枚の鋼板３Ａ、３Ｂ同士の施工時の可動範囲を広くしながら、長孔３１、３２の開いた鋼板３とワッシャー４の接触面積を安定的に確保することで、安定した耐力を得ることができる効果を奏する。

本第１の実施の形態の別形態として、例えば、図６及び図７に示す第１変形例によるボルト接合構造１Ａ（高力ボルトの摩擦接合構造）のように、鋼板３Ａ、３Ｂ同士の間に円形孔５１を有する挟み板５が介挿される構成としてもよい。
この場合、挟み板５の厚さ寸法を調整することで、２枚の鋼板３Ａ、３Ｂ同士の間の間隔（高さ）を適宜な寸法に調整することが可能となることから、２枚の鋼板３Ａ、３Ｂの接合部にＸＹＺ３軸の位置調整機構を持たせることができる。そのため、さらに鋼板３側の施工精度の緩和を図ることができ、施工効率を向上させることができる。なお、挟み板の寸法はワッシャー４と同様に、厚みは０．３５ｄ以上、（内接する円の）外径は２．５ｄ以上とすることが望ましく、円形であってもよい。また２枚の鋼板３Ａ，３Ｂが亜鉛メッキ鋼板の場合は挟み板５も亜鉛メッキ鋼板とすることが望ましく、表面処理はりん酸塩処理が望ましい。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態による高力ボルトの摩擦接合構造について、図８〜図１０に基づいて説明する。
上述した第１の実施の形態では、ボルト呼び径の１／２以下の板厚の鋼板３Ａ、３Ｂ同士を重ね合わせて接合する構造としているが、第２の実施の形態によるボルト接合構造１Ｂ（高力ボルトの摩擦接合構造）では、ボルト呼び径の１／２以下の板厚の鋼板３Ａ、３Ｂ同士を突き合わせて、両鋼板３Ａ、３Ｂに対して添板６を重ね合わせて接合する構造である。

接合する２枚の鋼板３Ａ、３Ｂは、それぞれに開けられたボルト孔が長孔３１、３２に形成され、各鋼板３Ａ、３Ｂの長孔３１、３２同士が互いに長径方向を直交するようにして配置されている。添板６のボルト孔は、円形孔６１に形成されている。そして、各鋼板３Ａ、３Ｂの長孔３１、３２と添板６の円形孔６１とに、高力ボルト２がワッシャー４Ａ、４Ｂを介して挿通されて締結されている。

ここで、長孔３１、３２側に位置する第２ワッシャー４Ｂは、添板６の円形孔６１側に位置する第１ワッシャー４Ａよりも大径で且つ厚い部材が用いられている。第２ワッシャー４Ｂは、上述した第１の実施の形態のワッシャー４と同様に、外径がボルト呼び径の２．５倍を超えるとともに、ワッシャー厚みがボルト呼び径の０．３５倍以上に設定されており、その効果も第１の実施の形態と同様である。

この場合、図１０に示すように、鋼板３Ａ、３Ｂの長孔３１、３２同士の長径方向が直交しているので、鋼板３Ａ、３Ｂの可動範囲をＸＹ２方向に広く確保することができる。そのため、接合する２枚の鋼板側の施工精度を緩和することが可能となり、施工の効率を高めることができる。

また、第２の実施の形態の別形態として、例えば、図１１及び図１２に示す第２変形例によるボルト接合構造１Ｃのように、添板６における２枚の鋼板３Ａ、３Ｂの各別に対応する重合せ部分６ａ、６ｂ（図１１の二点鎖線部分）には、それぞれに開けられたボルト孔が長孔６２、６３に形成され、添板６が各重合せ部分６ａ、６ｂの長孔６２、６３同士が互いに長径方向を直交するようにして円形孔３３に形成されたボルト孔を有する２枚の鋼板３Ａ、３Ｂに重ね合された構成となっている。そして、本ボルト接合構造１Ｃでは、添板６の長孔６２、６３及び鋼板３Ａ、３Ｂの円形孔３３に高力ボルトがワッシャーを介して挿通されて締結された構成としてもよい。

この場合、上述した第２の実施の形態によるボルト接合構造１Ｂと同様の効果が得られることに加え、例えば図１３に示すように、添板６Ａの幅寸法Ｗ（鋼板３Ａ、３Ｂの突合せ方向に直交するする方向の長さ寸法）を上述した第２変形例の添板６よりも広くしたり、添板６の板厚を大きくすることで、上述した第２の実施の形態の２枚の鋼板３Ａ、３Ｂ側に長孔３１、３２を設ける構造よりも有効断面を増やすことができる利点がある。

以上、本発明による高力ボルトの摩擦接合構造の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の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、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ ボルト接合構造（高力ボルトの摩擦接合構造）
２ 高力ボルト
３、３Ａ、３Ｂ 鋼板
４、４Ａ、４Ｂ ワッシャー
５ 挟み板
６ 添板
６ａ、６ｂ 重合せ部分
３１、３２、６２、６３ 長孔
３３、５１、６１ 円形孔

Claims (5)

1. ボルト呼び径の１／２以下の板厚の鋼板同士を突き合わせて、両鋼板に対して添板を重ね合わせて接合する高力ボルトの摩擦接合構造であって、
   接合する前記２枚の鋼板は、それぞれに開けられたボルト孔が長孔に形成され、前記各鋼板の長孔同士が互いに長径方向を直交するようにして配置され、
   又は、
   前記添板における前記２枚の鋼板の各別に対応する重合せ部分には、それぞれに開けられたボルト孔が長孔に形成され、当該添板が前記各重合せ部分の長孔同士が互いに長径方向を直交するようにして前記２枚の鋼板に重ね合され、
   前記長孔に前記高力ボルトがワッシャーを介して挿通されて締結されていることを特徴とする高力ボルトの摩擦接合構造。
2. 前記ワッシャーの外径は、ボルト呼び径の２．５倍を超えていることを特徴とする請求項１に記載の高力ボルトの摩擦接合構造。
3. 前記ワッシャーの厚みは、ボルト呼び径の０．３５倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の高力ボルトの摩擦接合構造。
4. 前記鋼板は、亜鉛めっき鋼板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高力ボルトの摩擦接合構造。
5. 前記鋼板の摩擦面は、りん酸塩処理が施されていることを特徴とする請求項４に記載の高力ボルトの摩擦接合構造。

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