JP7295385B2

JP7295385B2 - 接合構造

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Publication number: JP7295385B2
Application number: JP2019033594A
Authority: JP
Inventors: 和也三井; 知季小橋
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2023-06-21
Anticipated expiration: 2039-02-27
Also published as: JP2020139521A

Description

本発明は、接合構造に関する。

例えばボルトやドリルねじのような締結手段を用いて２つの部材を接合する接合構造では、引張力やせん断力に対する耐破断性能を向上させることが課題である。例えば、特許文献１には、ボルトの強度を向上させることによって耐破断性能を向上させる技術が記載されている。また、特許文献２には、部材間の接合面の垂線に対してドリルねじの軸芯を傾斜させて配置することによって、接合部におけるドリルねじのせん断面積を増大させ、接合部の耐力および剛性を向上させる技術が記載されている。

特許第５３３４７６９号公報特開２００７－２３９４４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたように締結部材の強度を向上させる場合、締結部材の製造条件が厳しくなったり、強度と引き換えに加工性が低下したりする。また、特許文献２に記載されたような構造は部材の形状や接合構造の位置によっては採用することが難しく、またドリルねじ以外には応用できない。

そこで、本発明は、接合される部材を加工することによって、締結手段を選ばずに耐破断性能を向上させることが可能な、新規かつ改良された接合構造を提供することを目的とする。

本発明のある観点によれば、第１の貫通孔が形成された第１の部材と、第２の貫通孔が形成された第２の部材と、第１の貫通孔および第２の貫通孔に挿通される締結手段とを含み、第２の貫通孔を含む領域で、第１の部材に対向する第２の部材の面が第１の部材とは反対側にオフセットすることによって第１の部材と第２の部材との間に隙間が形成されている接合構造が提供される。

上記の接合構造では、第１の貫通孔を含む領域で、第２の部材に対向する第１の部材の面が第２の部材とは反対側にオフセットしていてもよい。

上記の接合構造において、第２の部材は板状部材であり、第２の貫通孔を含む領域で第２の部材にエンボスが形成されることによって第２の部材の面がオフセットしていてもよい。

上記の接合構造において、第１の部材および第２の部材は共通の板厚を有する板状部材であり、第１の貫通孔および第２の貫通孔を含む領域における第１の部材と第２の部材との間の隙間の大きさの板厚に対する比は０．０４以上０．４６以下であってもよい。

上記の接合構造において、および締結手段は、第１の部材と第２の部材とが互いに重ね合わされた領域に所定の間隔で配置され、第１の部材および第２の部材の互いに対向する面の面内で作用するせん断力に対して垂直な方向における締結手段の間隔は、せん断力の方向における締結手段の間隔よりも短くてもよい。

上記の構成によれば、締結手段が挿通される部分で第１の部材と第２の部材との間に隙間を形成することによって、締結手段に作用するせん断応力を分散させ、接合構造の耐破断性能を向上させることができる。隙間は第２の部材を加工することによって形成されるため、締結手段を選ばずに耐破断性能を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る接合構造の断面図である。図１に示した接合構造を含む接合部の平面図および側面図である。本発明の第２の実施形態に係る接合構造の断面図である。本発明の第３の実施形態に係る接合構造の断面図である。数値解析接合におけるひずみ参照位置を示す図である。数値解析結果に基づいて接合隙間の大きさごとに相当塑性ひずみの分布を示す図である。数値解析を実施した接合構造の平面配置を示す図である。数値解析を実施した接合構造の平面配置を示す図である。数値解析を実施した接合構造の平面配置を示す図である。図７Ａに示された例における位置ごとの相当塑性ひずみを示すグラフである。図７Ａ～図７Ｃに示された例における接合構造における隙間の大きさおよび締結手段の配置と最大耐力との関係を示すグラフである。図７Ａ～図７Ｃに示された例における接合構造における隙間の大きさおよび締結手段の配置と変形性能との関係を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る接合構造の断面図である。図１に示されているように、第１の実施形態に係る接合構造１は、鋼板２１（第１の部材）と鋼板２２（第２の部材）との間に形成される。鋼板２１には貫通孔２１Ａ（第１の貫通孔）が形成され、鋼板２２には貫通孔２２Ａ（第２の貫通孔）が形成され、貫通孔２１Ａ，２２Ａにドリルねじ３（締結手段）が挿通されることによって鋼板２１，２２が互いに接合される。接合構造１を含む部分で鋼板２１，２２は互いに重ね合わされているが、貫通孔２１Ａ，２２Ａを含む領域Ｒでは鋼板２１，２２の間に隙間ｇが形成されている。これは、領域Ｒを含む部分で鋼板２２にエンボス２２Ｅが形成されることによって、鋼板２１に対向する鋼板２２の面２２Ｓが鋼板２１とは反対側にオフセットしているためである。図示された例では、鋼板２１にも同様のエンボス２１Ｅが形成されることによって鋼板２２に対向する鋼板２１の面２１Ｓが鋼板２２とは反対側にオフセットしている。このように鋼板２１，２２の両方で面２１Ｓ，２２Ｓをオフセットさせることによって、エンボス２１Ｅ，２２Ｅの高さＤを最小限にしつつ隙間ｇの大きさを確保することができる。

ここで、図示された例において鋼板２１，２２は同じ板厚ｔを有し、エンボス２１Ｅ，２２Ｅは同じ高さＤを有する。後述する数値解析の結果によれば、高さＤの板厚ｔに対する比Ｄ／ｔは０．０２以上０．２３以下であることが好ましい。この場合、隙間ｇの大きさの板厚ｔに対する比ｇ／ｔは０．０４以上０．４６以下になる。例えばこのように隙間ｇの大きさを適切に設定することによって、ドリルねじ３の軸部３１に作用するせん断応力を分散させ、接合構造１の耐破断性能を向上させることができる。

また、図示された例において、エンボス２１Ｅ，２２Ｅは頂部幅ｂ、底角αの台形断面である。上述した領域Ｒの幅は、エンボス２１Ｅ，２２Ｅの頂部幅ｂに等しい。エンボス２１Ｅ，２２Ｅの寸法の一例として、ドリルねじ３の頭部３２との間で応力伝達を確実にするために、頂部幅ｂがドリルねじ３の頭部３２の直径の１倍以上２倍以下であることが好ましい。また、ドリルねじ３を締め込んだときのエンボス２１Ｅ，２２Ｅの変形を防止するために、底角αは３０°以上であることが好ましい。

図２は、図１に示した接合構造を含む接合部の平面図および側面図である。図２に示された例では、同じ大きさの矩形の鋼板２１，２２が互いに重ね合わされており、鋼板２１，２２のそれぞれ対応する位置に計１２組の貫通孔２１Ａ，２２Ａおよびエンボス２１Ｅ，２２Ｅが形成されている。これらの貫通孔２１Ａ，２２Ａにドリルねじ３（図示せず）が挿通されることによって、鋼板２１，２２が互いに接合される。なお、説明のために同じ大きさの鋼板２１，２２を図示しているが、鋼板２１，２２は互いに異なる大きさおよび形状であってもよく、少なくとも一部で互いに重ね合わされていればよい。貫通孔２１Ａ，２２Ａおよびエンボス２１Ｅ，２２Ｅは、鋼板２１，２２が互いに重ね合わされた部分に形成される。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る接合構造の断面図である。図３に示されているように、第２の実施形態に係る接合構造１Ａでも、第１の実施形態と同様に鋼板２１，２２との間に形成され、貫通孔２１Ａ，２２Ａにドリルねじ３が挿通されることによって鋼板２１，２２が互いに接合される。また、鋼板２２にエンボス２２Ｅが形成されることによって、鋼板２２の面２２Ｓは鋼板２１とは反対側にオフセットしている。その一方で、本実施形態では、鋼板２１に形成されるエンボス２１Ｆが第１の実施形態とは逆向きであり、鋼板２１の面２１Ｓは鋼板２２側に張り出している。本実施形態において、隙間ｇは、図示されているように鋼板２２のエンボス２２Ｅの高さＤ_２が、鋼板２１のエンボス２１Ｆの高さＤ_１よりも大きいことによって形成される。本実施形態でも、隙間ｇの大きさを適切に設定することによって、ドリルねじ３の軸部３１に作用するせん断応力を分散させ、接合構造１の耐破断性能を向上させることができる。

このように、本実施形態において、隙間ｇは、接合構造を構成する２つの部材のうちの一方だけで表面がオフセットすることによって形成される。なお、図示された例において、鋼板２１のエンボス２１Ｆは必ずしも形成されなくてもよく、鋼板２１の面２１Ｓは領域Ｒを含む全体でフラットであってもよい。図示された例のようなエンボス２１Ｆを形成する場合、例えば、鋼板２１のエンボス２１Ｆを鋼板２２のエンボス２１Ｅに嵌合させることによって貫通孔２１Ａ，２２Ａの位置合わせが容易になる。また、図示された例のようなエンボス２１Ｆを形成する場合、二点鎖線で図示されたようなねじ頭部の厚みが薄いねじを用いることで、鋼板２１側の突出部を無くすこともできる。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る接合構造の断面図である。図４に示されているように、第３の実施形態に係る接合構造１Ｂは、鋼板２１（第１の部材）と、接合金物４２（第２の部材）との間に形成される。鋼板２１には貫通孔２１Ａ（第１の貫通孔）が形成され、接合金物４２には貫通孔４２Ａ（第２の貫通孔）が形成され、貫通孔２１Ａ，４２Ａにドリルねじ３（締結手段）が挿通されることによって鋼板２１と接合金物４２とが互いに接合される。接合構造１Ｂを含む部分で鋼板２１と接合金物４２とは互いに重ね合わされているが、貫通孔２１Ａ，４２Ａを含む領域Ｒでは鋼板２１と接合金物４２との間に隙間ｇが形成されている。これは、領域Ｒを含む部分で接合金物４２に凹部４２Ｅが形成されることによって、鋼板２１に対向する接合金物４２の面４２Ｓが鋼板２１とは反対側にオフセットしているためである。本実施形態でも、隙間ｇの大きさを適切に設定することによって、ドリルねじ３の軸部３１に作用するせん断応力を分散させ、接合構造１の耐破断性能を向上させることができる。

なお、図示された例では鋼板２１の面２１Ｓが領域Ｒを含む全体でフラットであるが、他の例では、鋼板２１に第１の実施形態と同様のエンボス２１Ｅが形成されてもよく、あるいは第２の実施形態と同様の逆向きのエンボス２１Ｆが形成されてもよい。エンボス２１Ｅを形成する場合、接合金物４２の凹部４２Ｅの深さを最小限にしつつ、隙間ｇの大きさを確保することができる。また、エンボス２１Ｆを形成する場合、鋼板２１のエンボス２１Ｆを接合金物４２の凹部４２Ｅに嵌合させることによって貫通孔２１Ａ，４２Ａの位置合わせが容易になる。

（数値解析結果１）
図５および図６は、数値解析結果に基づいて接合構造における隙間の大きさと相当塑性ひずみとの関係について説明するための図である。図５は数値解析におけるひずみ参照位置を示し、図６は解析結果に基づいて隙間の大きさごとに相当塑性ひずみの分布を示す。図６では、相当塑性ひずみが高い部分が明るい色で示されている。なお、数値解析における鋼板２１，２２の板厚ｔは２．２ｍｍ、ドリルねじ３の軸部３１の直径ｄ_１は４．８ｍｍ、頭部３２の直径ｄ_２は１０．８ｍｍ、エンボス２１Ｅ，２２Ｅの台形断面の頂部幅ｂは１５ｍｍ、底角αは３０°とした。図６に示されるように、数値解析において接合構造１を構成する鋼板２１，２２の間にせん断方向で同じ変形量を発生させた場合、ドリルねじ３の軸部３１に大きな相当塑性ひずみが発生する領域は、高さＤが０、すなわち隙間ｇが形成されない場合に比べて、高さＤが０．２５ｍｍ～１．０ｍｍの場合には顕著に縮小した。この結果は、隙間ｇが形成されたことによって相当塑性ひずみの軸部３１への集中が緩和されたことを示している。

（数値解析結果２）
以下、図７Ａ～図１０を参照して、本発明の実施形態に係る接合の平面配置に関する解析結果について説明する。図７Ａ～図７Ｃは、数値解析を実施した接合の平面配置を示す図である。各例では同じ大きさの矩形の鋼板２１，２２が互いに重ね合わされた領域に、貫通孔２１Ａ，２２Ａおよびドリルねじ３（図示せず）が所定の間隔で配置され、それぞれの貫通孔２１Ａ，２２Ａに対応してエンボス２１Ｅ，２２Ｅ（図示は省略）が形成される。図７Ａの例では６行２列（Ｃ６Ｒ２）、図７Ｂの例では４行３列（Ｃ４Ｒ３）、図７Ｃの例では３行４列（Ｃ３Ｒ４）で、いずれも計１２組の貫通孔２１Ａ，２２Ａおよびドリルねじ３が配置されている。なお、鋼板２１，２２の板厚ｔ、ならびにドリルねじ３およびエンボス２１Ｅ，２２Ｅの寸法は、図５に示した例と同様である。

図８は、図７Ａに示された例における位置ごとの相当塑性ひずみを示すグラフである。グラフの横軸は、ドリルねじ３の位置、すなわち図７Ａに示されたｃ_１～ｃ_６を示す。縦軸は、ドリルねじ３の軸部３１に発生する相当塑性ひずみε_ｅｑを示す。図８のグラフに示されるように、せん断力Ｐが作用する方向について鋼板２１，２２の端部（ｃ_１，ｃ_６）に近いドリルねじ３ほど相当塑性ひずみは大きくなる。まず、比較例として、鋼板２１，２２に形成されるエンボス２１Ｅ，２２Ｅの高さＤが０、すなわち貫通孔２１Ａ，２２Ａを含む領域Ｒで鋼板２１，２２の間に隙間が形成されない場合、鋼板２１，２２の中間付近（ｃ_３，ｃ_４）のドリルねじ３に発生する相当塑性ひずみε_ｅｑが０．６０程度であるのに対して、両端に位置するドリルねじ３に発生する相当塑性ひずみε_ｅｑは１．６０を超える。これに対して、エンボス２１Ｅ，２２Ｅの高さＤを０．０５ｍｍ～１．００ｍｍとすると、鋼板２１，２２の端部と中間部との間でドリルねじ３に発生する相当塑性ひずみε_ｅｑが均等化されるのに加えて、全体的な相当塑性ひずみε_ｅｑの値も低下する。上記の結果から、本発明の実施形態では、締結手段であるドリルねじ３の相当塑性ひずみε_ｅｑを低減するとともに、鋼板２１，２２の各部位に配置されるドリルねじ３の間で相当塑性ひずみε_ｅｑを均等化することによって、接合構造１の耐破断性能を向上できることがわかる。

図９は、図７Ａ～図７Ｃに示された例における接合構造における隙間の大きさおよび締結手段の配置と最大耐力との関係を示すグラフである。図７Ａの例（Ｃ６Ｒ２）、図７Ｂの例（Ｃ４Ｒ３）、および図７Ｃの例（Ｃ３Ｒ４）のそれぞれについて、鋼板２１，２２に図示されたようなせん断力Ｐを作用させ、いずれかのドリルねじ３で所定の相当塑性ひずみε_ｅｑ（０．２５または０．５０）が生じたときのせん断力Ｐの荷重（ｋＮ）を最大耐力とした。図９のグラフに示されるように、いずれの相当塑性ひずみε_ｅｑの場合も、エンボス２１Ｅ，２２Ｅの高さＤが０．０５ｍｍ以上で最大耐力の上昇が顕著になる。その一方で、高さＤが０．５０ｍｍを超えると最大耐力が減少に転じることから、図９に示された数値解析の結果における高さＤの好ましい範囲は０．０５ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下である。

図１０は、図７Ａ～図７Ｃに示された例における接合構造における隙間の大きさおよび締結手段の配置と変形性能との関係を示すグラフである。図７Ａの例（Ｃ６Ｒ２）、図７Ｂの例（Ｃ４Ｒ３）、および図７Ｃの例（Ｃ３Ｒ４）のそれぞれについて、鋼板２１，２２に図示されたようなせん断力Ｐを作用させ、いずれかのドリルねじ３で所定の相当塑性ひずみε_ｅｑ（０．２５または０．５０）が生じたときの鋼板２１，２２の間の変位Δ（ｍｍ）を算出した。図１０のグラフに示されるように、相当塑性ひずみε_ｅｑが０．２５の場合には各例の間で明確な差は見られないが、より破断に近い、相当塑性ひずみε_ｅｑが０．５０の場合には、エンボス２１Ｅ，２２Ｅの高さＤが０．０５ｍｍ以上で許容される変位Δの増大が顕著になる。その一方で、高さＤが０．５０ｍｍを超えると許容される変位Δが減少に転じることから、図１０に示された数値解析の結果における高さＤの好ましい範囲は０．０５ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下である。

上記の図９および図１０の数値解析の結果では、いずれも高さＤの好ましい範囲が０．０５ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下であった。板厚ｔは２．２ｍｍであるため、高さＤの板厚ｔに対する比Ｄ／ｔの好ましい範囲は０．０２以上０．２３以下である。なお、鋼板２１，２２の加工性を考慮した場合、扱いやすい高さＤはおよそ０．２２ｍｍ以上であるため、比Ｄ／ｔについて０．１以上０．２３以下を好ましい範囲としてもよい。さらに、隙間ｇの大きさが両側のエンボス２１Ｅ，２２Ｅの高さの合計、すなわちＤの２倍に等しいとみなした場合、隙間ｇの大きさの好ましい範囲は０．１０ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。従って、図９および図１０の横軸で上側に示すように、隙間ｇの大きさの板厚ｔ（２．２ｍｍ）に対する比ｇ／ｔの好ましい範囲は０．０４以上０．４６以下である。高さＤについて鋼板２１，２２の加工性を考慮する場合、隙間ｇの大きさは０．４４ｍｍ以上になり、比ｇ／ｔの好ましい範囲は０．２以上０．４６以下になる。

一方、図９および図１０の数値解析の結果では、図７Ａの例（Ｃ６Ｒ２）、図７Ｂの例（Ｃ４Ｒ３）、および図７Ｃの例（Ｃ３Ｒ４）の配置の対比も示されている。ここで、再び図７Ａ～図７Ｃを参照すると、鋼板２１，２２の互いに対向する面（図１に示された面２１Ｓ，２２Ｓ）の面内で作用するせん断力Ｐに対して垂直な方向における貫通孔２１Ａ，２２Ａ（または、挿通されるドリルねじ３（図示せず））の間隔ｉと、せん断力Ｐの方向における間隔ｊとの関係については、図７Ａの例ではｉ＞ｊであるが、図７Ｂの例では逆になってｉ＜ｊである。図７Ｃの例では同じくｉ＜ｊであるが、ｉよりもｊがより大きくなっている。この結果、鋼板２１，２２の端部に配置される１行目（ｃ_１）および最終行（ｃ_６、ｃ_４またはｃ_３）のドリルねじ３は、図７Ａの例で２つ、図７Ｂの例で３つ、図７Ｃの例で４つになる。

上記の図９および図１０に示された例では、いずれも、最大耐力または許容される変位が図７Ｃの例（Ｃ３Ｒ４）で最も大きく、図７Ｂの例（Ｃ４Ｒ３）で次に大きく、図７Ａの例（Ｃ６Ｒ２）で最も小さい。これは、上記の実施形態では、せん断力Ｐの方向について鋼板２１，２２の端部に配置されるドリルねじ３の数を増やすことで、鋼板２１，２２を接合する接合構造１の耐破断性能がより向上することを示している。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内において、各種の変形例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記の実施形態では接合構造によって接合される第１の部材および第２の部材として鋼板２１，２２および接合金物４２を例示したが、これらの例には限られず、貫通孔に締結手段を挿通することによって接合することが可能な各種の部材を第１の部材および第２の部材として、本発明の実施形態に係る接合構造を構成することができる。また、接合構造に含まれる締結手段としてドリルねじ３を例示したが、ボルトおよびナット、釘、リベットなど、貫通孔に挿通されることによって部材を締結することが可能な各種の締結手段を用いることができる。締結手段がドリルねじ３である場合、貫通孔２１Ａ，２２Ａおよび貫通孔４２Ａはドリルねじ３を鋼板２１，２２に貫入させるときに形成されるが、他の締結手段が用いられる場合には、第１の部材および第２の部材に予め貫通孔が形成されてもよい。

１，１Ａ，１Ｂ…接合構造、２１，２２…鋼板、２１Ａ，２２Ａ，４２Ａ…貫通孔、２１Ｅ，２２Ｅ…エンボス、２１Ｓ，２２Ｓ，４２Ｓ…面、３…ドリルねじ、３１…軸部、３２…頭部、４２…接合金物、４２Ｅ…凹部。

Claims

第１の貫通孔が形成された第１の部材と、
第２の貫通孔が形成された第２の部材と、
前記第１の貫通孔および前記第２の貫通孔に挿通されるドリルねじと
を含み、
前記第２の貫通孔を含む領域で、前記第１の部材に対向する前記第２の部材の面が前記第１の部材とは反対側にオフセットすることによって前記第１の部材と前記第２の部材との間に隙間が形成され、
前記第１の貫通孔および前記第２の貫通孔は、前記ドリルねじに螺合し、
前記ドリルねじは、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔との間で前記隙間に露出され、
前記ドリルねじの軸線を含む断面において、前記隙間によって前記第１の部材と前記第２の部材とが離間している部分の前記軸線に垂直な方向の寸法は、前記ドリルねじの頭部の直径よりも大きい、接合構造。
前記第１の貫通孔を含む領域で、前記第２の部材に対向する前記第１の部材の面が前記第２の部材とは反対側にオフセットしている、請求項１に記載の接合構造。
前記第２の部材は板状部材であり、
前記第２の貫通孔を含む領域で前記第２の部材にエンボスが形成されることによって前記第２の部材の面がオフセットしている、請求項１または請求項２に記載の接合構造。
前記第１の部材および前記第２の部材は共通の板厚を有する板状部材であり、
前記第１の貫通孔および前記第２の貫通孔を含む領域における前記第１の部材と前記第２の部材との間の隙間の大きさの前記板厚に対する比は０．０４以上０．４６以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の接合構造。
前記第１の貫通孔、前記第２の貫通孔、および前記ドリルねじは、前記第１の部材と前記第２の部材とが互いに重ね合わされた領域に所定の間隔で配置され、
前記第１の部材および前記第２の部材の互いに対向する面の面内で作用するせん断力に対して垂直な方向における前記ドリルねじの間隔は、前記せん断力の方向における前記ドリルねじの間隔よりも短い、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の接合構造。
前記第２の部材に対向する前記第１の部材の面が前記第２の部材側に張り出し、
前記第１の部材に対向する前記第２の部材の面のオフセット高さが、前記第２の部材に対向する前記第１の部材の面の張り出し高さよりも大きいことによって前記第１の部材と前記第２の部材との間に隙間が形成され、
前記第１の部材に対向する前記第２の部材の面が前記第１の部材とは反対側にオフセットすることによって形成されたエンボスに、前記第２の部材に対向する前記第１の部材の面が前記第２の部材側に張り出すことによって形成されたエンボスが嵌合している、請求項１に記載の接合構造。