JP6206794B2 - ボルト張力の測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ボルトを締付けたときに生ずるボルトの伸びから軸力を計算する際のボルト張力の測定方法に関するものである。

一般に、ボルトの締付軸力がボルト接合部の性能に影響を及ぼす場合、締付初期軸力の確認と共に、長期間使用した場合、所定の軸力が保持できているのか確認が大切である。
例えば、建築、橋梁など鉄骨構造物の接合に用いられる高力ボルト摩擦接合継手の耐力は下記の式で表現される。
Ｆ＝μ・ｎ・Ｎ
Ｆ：継手耐力 μ：接合面摩擦係数 ｎ：ボルト本数 Ｎ：ボルト軸力
上記の式によりボルト軸力が継手耐力に比例し、ボルト軸力の重要性が大切になる。
そして、初期締付時には、トルク法、ナット回転法等により、一定範囲の軸力は、導入されるが、この構造物が長期使用において、たとえば地震等により、外部荷重を受けた場合、継手耐力の確認をするためにボルト軸力の確認が重要となる。

従来、このボルト軸力の測定方法としては、ボルトの締付け時に生じる伸びの長さと元に戻ろうとする軸力が比例関係あることから、ストレンゲージを用いたボルト軸部の伸び測定によるボルト軸力の測定方法や、超音波を用いた全長測定によるボルト軸力の測定方法が知られている。

前者のストレンゲージを用いたボルト軸力計では、例えばボルトに穴をあけ、接着剤で埋め込むことでボルトのひずみを測定し、そのひずみ量に断面積（穴面積を除く軸面積）×ヤング率を掛けることによりボルト軸力を計算するようにしている。また、後者の超音波を用いたボルト軸力計では、超音波によりボルト全長の伸びを測り、伸びた長さに断面積（軸面積）×ヤング率／全長を掛けることでボルト軸力を計算するようにしている。

ところが、上記したストレンゲージを用いたボルト軸力計では、温度変化や、製造年月によるドリフトの心配があった。また、超音波を用いたボルト軸力計では、ボルトの全長を測定して伸びを測る方法であるため、ねじ部の塑性伸びが含まれるので、一般的な高力ボルトの締付け状態に対して精度よく対応できないといった問題があった。その結果、いずれの場合においても簡単には精度よくボルト軸力を測定できないのが現状である。

そこで、本発明は、ねじ部の塑性伸びの影響を受けることのなく、ボルトの軸部における弾性領域での伸びを正確に測定して、その測定値からボルト軸力（以下ボルト張力という）を精度よく測定でき、しかも、長期にわたる経年変化の確認管理についても簡単容易にかつ精度よく正確にできるボルト張力の測定方法の提供を課題とする。

本願の請求項１記載の発明は、ボルトにおける頭部上面からボルトの中心部でねじ部が塑性領域になっても弾性領域である軸部の所定の深さまで小穴をあけると共に、小穴より僅かに小径の丸棒を挿入すると共に小穴の底面に丸棒を固定し、かつ、丸棒の長さをボルトの締付前にあってはボルト頂面と同一面となるように設定して、ボルトの締付後、弾性領域である軸部の伸びに伴い丸棒がボルト頂面から小穴内部に沈み込んだ深さをダイヤルゲージなどの測定手段で測定し、その測定値に穴面積を除く軸部断面積×ヤング率／穴深さを掛けてボルト張力を計算するようになす一方、ボルトにおける頭部上面と丸棒上面とに締付け判定用箔が平坦面状に接着されており、ボルトの締付けにより、ボルトにおける頭部上面と丸棒上面との間で発生する段差によって光の反射が乱反射することを利用して、締付けの可否を目視判定し得るようにしたことを特徴とする。

本願の請求項１記載のボルト張力の測定方法によれば、小穴内にボルト頂面と同一面となるよう小径の丸棒を挿入固定しておき、ボルトの締付後、弾性領域である軸部の伸びに伴い丸棒がボルト頂面から小穴内部に沈み込んだ深さをダイヤルゲージなどの測定手段で測定し、その測定値に基づいてボルト張力を計算するようにしたから、その測定がボルトの頂面部分で簡単容易に行うことができ、かつ、常にボルト張力を精度よく測定できると共に長期にわたる経年変化の確認管理についても簡単容易にかつ精度よく正確にできる。また、丸棒がボルトの小穴内に一体的に取り付けられた構成であるため、初期と外部温度が変化した場合、丸棒もボルトと同様に伸縮することになり、その補正が不要となる。しかも、ボルトにおける頭部上面と丸棒上面とに締付け判定用箔を備える構成により、軸力導入時に中心部のボルト張力測定用の丸棒が沈み込んで段差が発生したときに締付け判定用箔の中心部に生ずる光の乱反射確認で、締付け確認（締め忘れ防止）を目視により迅速容易に判定することができる。

本発明に係るボルト張力の測定方法に使用するボルトの縦断面図である。 同ボルト張力の測定方法による測定状態を示す説明図である。 締付け判定用箔を備えたボルトの縦断面図である。 参考例としてのボルト張力の測定方法による測定状態を示す説明図である。 穴深さ４８ｍｍの荷重−変位の関係測定結果とその計算値をグラフにまとめた説明図である。 穴深さ５８ｍｍの荷重−変位の関係測定結果とその計算値をグラフにまとめた説明図である。 穴深さ６８ｍｍの荷重−変位の関係測定結果とその計算値をグラフにまとめた説明図である。

以下本発明に係るボルト張力の測定方法を図に基づいて説明する。

図１及び図２において、１は本発明のボルト張力の測定方法で使用する頭付のボルトを示し、該ボルト１における頭部２上面からボルトの中心部でねじ部３が塑性領域になっても弾性領域である軸部４の所定の深さまで小穴５があけられている。この小穴５内には、小穴５より僅かに小径の丸棒６が挿入されると共に小穴５の底面に丸棒６が一体的に固定され、かつ、丸棒６の長さはボルト１の締付前にあってはボルト頂面２ａと同一面となるように設定されている。丸棒６の材料としては、外気温度が変化した場合、ボルト１と同様に伸縮する材料（例えばボルトと同じ金属材料）を用いる。また、丸棒６のボルト１への固定は、溶接、接着、嵌合などいずれの固定手段であってもよい。

また、図２において、１０はボルト頂面から小穴内部に固定された丸棒６の上面の沈み込み深さを測定する１／１０００ｍｍ精度のダイヤルゲージであり、１１はナット、１２，１３は被締結材、１４，１５は座金である。
ダイヤルゲージ１０の下部には、安定よく測定できるようにステム１０ａを介してボルト頂部にセットするためのガイド用のマグネット台１０ｂが設けられている。

次に、上記したボルト１を用いて図２に示すように被締結材１２、１３を締結し、その締付後にボルト張力の測定方法について説明する。

図２に示すように、ボルト１の締付後、弾性領域である軸部４の伸びに伴い、丸棒６がボルト１の頂面２ａから小穴５内部に沈み込む。この沈み込んだ深さａをダイヤルゲージ１０で測定し、その測定値に小穴５の穴面積を除く軸部４の断面積×ヤング率／小穴５の穴深さを掛けてボルト張力を計算するのである。その結果、常にボルト張力を精度よく測定でき、しかも、長期にわたる経年変化の確認管理を簡単容易にかつ精度よく正確にできる。また、丸棒６をボルト１に設けたうえで穴深さ（沈み込んだ深さ）を測るボルト張力の測定方法によれば、初期と外部温度が変化した場合、丸棒も同様に伸縮するので、その補正が不要となる。

そして、図３は上記したボルト１において、その頭部２上面と丸棒６上面とに締付け判定用箔７を平坦面状の接着したもので、ボルト１の締付けにより、ボルト１における頭部２上面と丸棒６上面との間で発生する段差によって光の反射が乱反射することを利用して、締付けの可否を目視判定し得るようにしたものである。このように締付け判定用箔７を備えておけば、軸力導入時に中心部のボルト張力測定用の丸棒６が沈み込んで段差が発生したときに締付け判定用箔７の中心部に生ずる光の乱反射確認で、締付け確認（締め忘れ防止）を目視により迅速容易に判定することができる。

また、図４は参考例としてのボルト張力の測定方法を示すもので、上述したボルト１と同様に頭部２上面からボルトの中心部でねじ部３が塑性領域になっても弾性領域である軸部４の所定の深さまで形成した小穴５に丸棒を設けず、長寸の棒状の測定子１０ｃを備えたダイヤルゲージ１０を用いて小穴５の使用前の穴深さに対する小穴５の伸びを測定するようにしたものである。

使用時には、ダイヤルゲージ１６の測定子１０ｂを直接軸部４に形成された小穴５に差し込み、込みねじ部３が塑性領域になっても弾性領域である軸部４の伸びを測定し、その測定値に穴面積を除く軸部断面積×ヤング率／穴深さを掛けてボルト張力を計算するようにしたものである。

なお、ボルト１は先の実施形態の場合と同様のものを用いるので、同じ符号を付し、その構造及び使用状態並びにその作用の説明については省略する。
ダイヤルゲージ１０としては、図４に示すようにそのスピンドル１０ｄの先端部にボルト１の小穴５に挿入可能な長寸の棒状先端子１０ｃを設けたものを用いる。また、ダイヤルゲージ１０の下部には、安定よく測定できるようにステム１０ａを介してボルト頂部２ａにセットするためのガイド用のマグネット台１０ｂが設けられている。

以上のようにボルト１を形成すると共に長寸の棒状の測定子１０ｂを備えたダイヤルゲージ１０でボルト張力を測定した場合にも、先の実施形態の場合と同様にボルト張力を精度よく測定でき、かつ、長期にわたる経年変化の確認管理を簡単容易にかつ精度よく正確にできる。また、この丸棒なしで穴深さを測るボルト張力の測定方法によれば、ボルト１の小穴５内に丸棒を取り付ける必要がないので、コスト安価にできる。なお、この丸棒なしで穴深さを測る場合、室温でボルト１とダイヤルゲージ１０と同じ温度であれば、温度補正を必要としてないが、室外ではボルト１とダイヤルゲージ１０との温度変化分補正を行う必要がある。

また、上記したボルト張力の測定方法に対して、次の検証を行った。

１．ボルトの軸部が弾性領域であることについて
一般的な高強度ボルトの降伏比（降伏（耐力）／引張強）は、０．９程度である。
小穴をあけた軸部の断面積とねじ有効断面積の関係を表１に示す。

上記した表１の結果から、すべての呼び径において、小穴があいた軸部の断面積に対するねじ有効断面積の割合は、０．９を下回っているので、最大軸力まで締付けても、軸部は弾性領域である。

２．測定寸法について、
実際の締付けにおいて、ボルト中央の丸棒がボルト頂面から沈み込む深さの量を表２に示す。
（高力ボルトＦ１０Ｔの締付けで軸部の長さを５０ｍｍとした場合、ヤング率＝２０６×１０^３Ｎ／ｍｍ^２）

３．締付け後の張力変動の確認について、ボルト締付け後、１割張力が低下した場合の丸棒深さの変化量を表３に示す。

よって、１／１０００ｍｍ精度のダイヤルゲージなどの測定器を使用すれば、十分精度の高いボルト張力測定ができる。

４．上述したボルト張力の測定方法による荷重−変位測定の再現性試験を次の通り行った。
その場合、六角ボルト Ｍ２０×１３０（１０．９相当の強度：ＳＣＭ４３５）を使用した。
ボルトの締付けは、一般に「保障荷重×０．８」を目標として行われる。
また、ボルトを締付けた後、何らかの影響により軸力値が１割以上変動した際は場合により注意する必要がある。
そこで、六角ボルト １０．９ Ｍ２０の変位量計測値の再現性が１割の変動を認識できる範囲内かどうかを確認するために目標締付け軸力の荷重とその１割減の荷重について、ダイヤルゲージを脱着しながら変位量の測定を行った。

穴深さは、４８ｍｍ６６ｍｍの２条件で、最初の０点測定値を基準値とし、「０点」、「目標締付け軸力の１割減」、『目標締付け軸力』の３点について、すべての測定においてダイヤルゲージの脱着を行い、それぞれ３回測定した。
それぞれの測定結果を表５、表６に示す。

また、計算値は表７のとおりである。

以上の試験結果から、表５及び表６に示す測定値は、表７に示す計算値とほぼ一致した値であり、良好な測定結果が得られた。測定値のバラツキは、数μｍｍの範囲内であり、高い再現性が確認できた。

５．さらに穴探さの違いによる荷重−変位の関係調査を次の通り行った。
その場合、六角ボルト Ｍ２０×１３０（１０．９相当の強度：ＳＣＭ４３５）を使用した。
頭部頂面中央部にΦ３で、任意の深さをあけ、その中にΦ２の丸棒を挿入して穴底に接着した。
丸棒の長さは、ボルト頭部の頂面に揃えた。ボルトを試験治具にセットして、丸棒の変位を測定するようにダイヤルゲージをボルト頭部に接着し、荷重−変位を測定した。
穴深さは、４８ｍｍ（３本）、５８ｍｍ（２本）、６８ｍｍ（２本）の３条件で測定した。その測定結果を表８に示す。

また、この場合の計算値は表９のとおりである。

表８の測定結果と表９の計算値をグラフにまとめたものを図５〜７に示す。
このグラフでは、ボルト１に形成する小穴５の穴深さを、４８、５８、６８ｍｍと変化させた場合、いずれにおいても計算値に近い値を示している。その結果、小穴５の穴深さは、軸部の範囲でできるだけ深い方が好ましいが、多少短くても採用できることが分かった。

１ ボルト
２ 頭部
２ａ ボルト頂面
３ ねじ部
４ 軸部
５ 小穴
６ 丸棒
７ 締付け判定用箔
１０ ダイヤルゲージ

Claims (1)

1. ボルトにおける頭部上面からボルトの中心部でねじ部が塑性領域になっても弾性領域である軸部の所定の深さまで小穴をあけると共に、小穴より僅かに小径の丸棒を挿入すると共に小穴の底面に丸棒を固定し、かつ、丸棒の長さをボルトの締付前にあってはボルト頂面と同一面となるように設定して、ボルトの締付後、弾性領域である軸部の伸びに伴い丸棒がボルト頂面から小穴内部に沈み込んだ深さをダイヤルゲージなどの測定手段で測定し、その測定値に穴面積を除く軸部断面積×ヤング率／穴深さを掛けてボルト張力を計算するようになす一方、ボルトにおける頭部上面と丸棒上面とに締付け判定用箔が平坦面状に接着されており、ボルトの締付けにより、ボルトにおける頭部上面と丸棒上面との間で発生する段差によって光の反射が乱反射することを利用して、締付けの可否を目視判定し得るようにしたことを特徴とするボルト張力の測定方法。

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