JP7427197B2 - パイプ連結構造 - Google Patents

Description

本発明は、パイプ連結構造に関する。

従来、軟弱地盤でのトンネル掘削時において、鏡面の崩落防止を目的とした長尺鏡ボルト工法が用いられている。このような長尺鏡ボルト工法で用いられる鏡ボルトは、トンネルの切羽の断面に鋼管パイプ（以下、単にパイプという）が所定長の深さとなるように複数本が打ち込まれる。
このようなトンネル又は斜面の地盤補強や基礎杭等の土木工事用として用いられる小径鋼管（パイプ）同士を管軸方向に接合する技術としては溶接がまず考えられる。しかし、溶接による接合の場合には、天候や環境、溶接工の技量によって品質が左右されることや、溶接工の不足、溶接時間の長さなどの課題があり、現状では、短時間でパイプ同士を結合可能な機械式継手を採用するケースが多くなっている。

機械式継手の代表的な構成として、以下の継手形式（１）～（３）が知られている。
継手形式（１）は、鋼管の外表面に雄ねじを加工し、内表面に雌ねじを加工して双方の雄ねじと雌ねじをねじ込む構造である。または、雌ねじを加工したカプラーによって雄ねじを加工した鋼管同士を連結する構造もある。継手形式（１）の場合には、小径鋼管において肉厚が薄いため、鋼管に直接ねじ加工をすることが難しい場合が多い。
継手形式（２）は、カプラーや内管等の継手部材を介して結合する構造である。この場合には、継手部材と鋼管をねじやボルト等で結合する必要があるが、ねじ継手は締め付けに時間がかかり、ボルトでは鋼管や継手の断面が欠損するため継手の引張強度を十分に確保しにくい。
継手形式（３）は、別途加工した継手を鋼管に工場溶接で取り付ける構造である。この場合には、鋼管に対してボルト穴の加工や溶接等をあらかじめ施す必要がある他、ボルトや接着剤など鋼管と継手以外の部品を調達する費用がかかる。

これに対して、上述した継手形式（１）～（３）のような課題に対応する継手構造として、Ｃ字状嵌込みリングを使用したワンタッチ継手が知られている（例えば、特許文献１参照）。
図１１（ａ）～（ｄ）は、ワンタッチ継手１００の一例であって、Ｃ字状嵌込みリング１０３の要部断面図を示している。このワンタッチ継手１００は、パイプ１０１と、パイプ１０１の内側に挿入される継手部材１０２と、パイプ１０１と継手部材１０２の両方に嵌合するＣ字状嵌込みリング１０３と、を備えている。継手部材１０２の外面１０２ａ、およびパイプ１０１の内面１０１ａには、それぞれパイプ締結時にＣ字状嵌込みリング１０３が納まる収納溝１０４、１０５が管の周方向の全周にわたって予め加工されている。

図１１（ａ）～（ｄ）に示すように、ワンタッチ継手１００の締結方法の一例としては、まず継手部材１０２の外周収納溝１０４にＣ字状嵌込みリング１０３をセットし、パイプ１０１の管端から継手部材１０２を挿入していく。パイプ１０１の管端には予めテーパー面、あるいは曲面が形成されていて、管端にＣ字状嵌込みリング１０３が当たるとＣ字状嵌込みリング１０３の径がテーパー面に沿って徐々に縮径され、最終的にパイプ１０１の内径以下となる。これにより、パイプ１０１の内面にＣ字状嵌込みリング１０３が引っ掛からず継手部材１０２が挿入される。
そして、そのまま継手部材１０２を挿入し、Ｃ字状嵌込みリング１０３がパイプ１０１の内面の内周収納溝１０５に達すると、縮径されていたＣ字状嵌込みリング１０３が元の径に復元して戻りパイプ１０１の内径より大きくなる。これによりＣ字状嵌込みリング１０３が外周収納溝１０４及び内周収納溝１０５の両方に嵌め込まれた状態となり、継手部材１０２を引っ張ってもＣ字状嵌込みリング１０３が両収納溝１０４、１０５に掛止することで抜けることがなく、パイプ１０１と継手部材１０２とが連結される。

特開２００４－１９０７５８号公報

しかしながら、従来のワンタッチ継手によるパイプ連結構造では、簡単な構造によりパイプ同士の連結を例えば人力でも容易に行うことができるが、パイプに対して引張強度が小さいという課題があった。

ここで、図１１（ａ）～（ｄ）は、ワンタッチ継手１００に引張荷重が作用した際の継手部材１０２とパイプ１０１の挙動を示している。パイプ１０１に引張荷重（図１１の矢印Ｆ方向）が作用すると、図１１（ｂ）に示すようにＣ字状嵌込みリング１０３が継手部材１０２の外周収納溝１０４の一方の壁面１０４ａと接触する。このとき、図１１（ｃ）、（ｄ）に示すように一方の壁面１０４ａがＣ字状嵌め込みリング１０３によって潰されるとともに、Ｃ字状嵌込みリング１０３が縮径して外周収納溝１０４の溝底に沈み込む方向（矢印Ｐ１方向）に回転力が作用する。これにより、パイプ１０１がＣ字状嵌込みリング１０３の外側に持ち上がって外面１０２ａに沿って移動して離脱してしまい、パイプ１０１と継手部材１０２との連結が外れる。

このようなことから、ワンタッチ継手において、Ｃ字状嵌込みリング１０３が引張荷重に抵抗して引張強度を高めることが求められており、その点で改良の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、結合させるパイプや部材の加工を最小限に抑えつつ、施工が簡易であり、かつ十分な引張強度を確保することができるパイプ連結構造を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係るパイプ連結構造では、パイプの端部に挿入する挿入筒部を両端に有する円筒状ジョイントを介して一対の前記パイプ同士を同軸線上に連結するパイプ連結構造であって、前記挿入筒部の外周面には、該外周面の全周にわたって延在する外周溝と、前記パイプの端部の内周面には、該内周面の全周にわたって延在する内周溝と、前記外周溝と前記内周溝のそれぞれに周方向にわたって嵌合することでパイプ連結状態とするＣ字状嵌込みリングと、を備え、前記外周溝は、前記Ｃ字状嵌込みリングの高さ寸法以上の深さ寸法、および前記Ｃ字状嵌込みリングの幅寸法以上の溝幅寸法を有する締結用溝部と、管軸方向で該締結用溝部よりも離反する方向に向けて深さ寸法が小さくなる引張用溝部と、を有することを特徴としている。

本発明に係るパイプ連結構造では、パイプと円筒状ジョイントとが締結された状態において、パイプに形成された内周溝と円筒状ジョイントの挿入筒部に形成された外周溝の締結用溝部とにＣ字状嵌込みリングが嵌合される。パイプに引張荷重が作用すると、Ｃ字状嵌込みリングは外周溝の締結用溝部から引張用溝部に移動する。このとき、引張用溝部は締結用溝部よりも離反する方向に向けて深さ寸法が小さく設定されているので、Ｃ字状嵌込みリングの内周側に引張用溝部の溝底が位置し、Ｃ字状嵌込みリングの径方向内側に移動、あるいは変形するスペースがない状態となり、溝底から支持された状態となる。そのため、Ｃ字状嵌込みリングは、締結用溝部の溝底に沈み込む方向に回転力が作用することが抑制され、内周溝内に進入する方向に回転力が作用する。
つまり、回転力が作用したＣ字状嵌込みリングがパイプの引抜き方向への移動を規制することから、パイプ連結構造としての引張強度を向上させることができる。これにより、パイプがＣ字状嵌込みリングの外側に持ち上がっても、Ｃ字状嵌込みリングを超えて円筒状ジョイントの外周面に沿って抜け出す方向に移動して離脱しにくい構造となり、パイプと円筒状ジョイントとの連結が外れることを抑制することができる。

このように、本発明では、外周溝に収納されるＣ字状嵌込みリングは、パイプと円筒状ジョイントとの締結時にはＣ字状嵌込みリングが下部に沈み込む空間を確保された締結用溝部が使用され、パイプに引張荷重が作用したときにはＣ字状嵌込みリングの内周側の空間を塞ぐ引張用溝部が使用され、外周溝に二つの機能をもたせて状況によって二つの機能を効果的に使い分けることができる。
このように本発明では、結合させるパイプや部材の加工を最小限に抑えた簡単な構造で、施工を容易に行うことができる。

また、本発明に係るパイプ連結構造では、パイプの端部が挿入される外嵌筒部を両端に有する円筒状ジョイントを介して一対の前記パイプ同士を同軸線上に連結するパイプ連結構造であって、前記外嵌筒部の内周面には、該内周面の全周にわたって延在する内周溝と、前記パイプの端部の外周面には、該外周面の全周にわたって延在する外周溝と、前記内周溝と前記外周溝のそれぞれに周方向にわたって嵌合することでパイプ連結状態とするＣ字状嵌込みリングと、を備え、前記内周溝は、前記Ｃ字状嵌込みリングの高さ寸法以上の深さ寸法、および前記Ｃ字状嵌込みリングの幅寸法以上の溝幅寸法を有する締結用溝部と、管軸方向で該締結用溝部よりも離反する方向に向けて深さ寸法が小さくなる引張用溝部と、を有することを特徴としている。

本発明に係るパイプ連結構造では、パイプと円筒状ジョイントとが締結された状態において、パイプに形成された外周溝と円筒状ジョイントの外嵌筒部に形成された内周溝の締結用溝部とにＣ字状嵌込みリングが嵌合される。パイプに引張荷重が作用すると、Ｃ字状嵌込みリングは内周溝の締結用溝部から引張用溝部に移動する。このとき、引張用溝部は締結用溝部よりも離反する方向に向けて深さ寸法が小さく設定されているので、Ｃ字状嵌込みリングの外周側に引張用溝部の溝底が位置し、Ｃ字状嵌込みリングの径方向外側に移動、あるいは変形するスペースがない状態となり、溝底から支持された状態となる。そのため、Ｃ字状嵌込みリングは、締結用溝部の溝底に沈み込む方向に回転力が作用することが抑制され、外周溝内に進入する方向に回転力が作用する。
つまり、回転力が作用したＣ字状嵌込みリングがパイプの引抜き方向への移動を規制することから、パイプ連結構造としての引張強度を向上させることができる。これにより、パイプがＣ字状嵌込みリングの内側に下がっても、Ｃ字状嵌込みリングを超えて円筒状ジョイントの内周面に沿って抜け出す方向に移動して離脱しにくい構造となり、パイプと円筒状ジョイントとの部材との連結が外れることを抑制することができる。

このように、本発明では、内周溝に収納されるＣ字状嵌込みリングは、パイプと円筒状ジョイントとの締結時にはＣ字状嵌込みリングが下部に沈み込む空間を確保された締結用溝部が使用され、パイプに引張荷重が作用したときにはＣ字状嵌込みリングの外周側の空間を塞ぐ引張用溝部が使用され、内周溝に二つの機能をもたせて状況によって二つの機能を効果的に使い分けることができる。
このように本発明では、結合させるパイプや部材の加工を最小限に抑えた簡単な構造で、施工を容易に行うことができる。

また、本発明に係るパイプ連結構造では、前記締結用溝部の第１溝幅寸法Ｌｃおよび前記引張用溝部の第２溝幅寸法Ｌｔは、前記Ｃ字状嵌込みリングの管軸方向の全幅寸法Ｌｒに対して（１）式、（２）式の関係を満たすことが好ましい。

この場合には、Ｃ字状嵌込みリングの重心を引張用溝部の溝底によって支持することができ、Ｃ字状嵌込みリングが締結用溝部の溝底に沈み込む方向に回転力が作用することをより確実に抑制することができる。

また、本発明に係るパイプ連結構造では、前記パイプの端部の第１溝深さ寸法Ｈｐ、前記円筒状ジョイントにおける前記締結用溝部の第２溝深さ寸法Ｈｃおよび前記引張用溝部の第３溝深さ寸法Ｈｔは、前記Ｃ字状嵌込みリングの高さ寸法Ｈｒに対して（３）式～（５）式の関係を満たすことが好ましい。

本発明では、パイプに引張荷重が作用した際に、Ｃ字状嵌込みリングがパイプの内周溝および円筒状ジョイントの外周溝に引っ掛かって係止し易くなり、パイプの引張荷重に抵抗することができる。

本発明のパイプ連結構造によれば、結合させるパイプや部材の加工を最小限に抑えつつ、施工が簡易であり、かつ十分な引張強度を確保することができる。

本発明の第１実施形態によるパイプ連結構造を示す縦断面図である。 Ｃ字状嵌込みリングの平面図である。 図１に示すＣ字状嵌込みリングの嵌合状態を示す要部拡大図である。 引張荷重が作用したときのパイプ連結構造を示す縦断面図である。 Ｃ字状嵌込みリングの嵌合状態を示す要部拡大図であって、（ａ）は引張荷重の作用前の図、（ｂ）は引張荷重が作用した状態の図である。 引張荷重が作用したときのＣ字状嵌込みリングの嵌合状態を示す要部拡大図であって、図３に対応する図である。 （ａ）～（ｄ）は、引張荷重が作用したときのＣ字状嵌込みリングの挙動を示す縦断面図である。 実施例による引張試験結果を示す図である。 第２実施形態によるパイプ連結構造を示す縦断面図である。 変形例によるパイプ連結構造の外周溝を示す縦断面図である。 （ａ）～（ｄ）は、従来の引張荷重が作用したときのＣ字状嵌込みリングの挙動を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態によるパイプ連結構造について、図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態によるパイプ連結構造１は、例えば地盤に打ち込むパイプ１０（１０Ａ、１０Ｂ）同士を円筒状ジョイント２を介して管軸Ｏ方向に締結する継手構造である。そして、本実施形態のパイプ連結構造１では、パイプ１０Ａ、１０Ｂ同士を人力で容易に連結することが可能なワンタッチ継手である。

パイプ連結構造１は、パイプ１０のパイプ端部１０ａに挿入する挿入筒部２Ａを両端に有する円筒状ジョイント２を介して一対のパイプ１０Ａ、１０Ｂ同士を同軸線上に連結する継手構造である。

パイプ連結構造１は、円筒状ジョイント２における挿入筒部２Ａの外周面２ａの全周にわたって延在する外周溝２１と、パイプ１０におけるパイプ端部１０ａの内周面１０ｂの全周にわたって延在する内周溝１１と、外周溝２１と内周溝１１のそれぞれに周方向にわたって嵌合することでパイプ連結状態とするＣ字状嵌込みリング３と、を備えている。

ここで、以下の説明では、パイプ１０Ａ、１０Ｂ及び円筒状ジョイント２において、それぞれの管軸Ｏ方向から見て管軸Ｏ回りに周回する方向を周方向といい、それぞれの管軸Ｏ方向に直交する径方向で管軸Ｏ側を内周側、内面といい、内周側及び内面の反対側を外周側、外面という。

図２に示すＣ字状嵌込みリング３は、横断面形状が略矩形（図１及び図３参照）であり、リング状に形成された周方向の一部にリング開口部３ａが形成されている。Ｃ字状嵌込みリング３は、リング開口部３ａを開閉することで径方向に縮径及び拡径するように弾性変形可能となっている。Ｃ字状嵌込みリング３の外径寸法は、図１に示すパイプ１０の内周面１０ｂよりも大径となるように設定されている。

パイプ１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、例えばＳＴＫ４００からなり、例えば管外径１１４．３ｍｍ、管内径１０２．６ｍｍの短尺鋼管（例えば、長さ３ｍ程度）に適用している。パイプ１０は、地盤に打ち込む補強工法の用途として使用されるが、他の用途として用いられてもよい。パイプ１０として、例えば、一般構造用炭素鋼鋼管、建築構造用炭素鋼鋼管などを用いることができる。

図３に示すように、パイプ１０のパイプ端部１０ａ側の内周面１０ｂには、全周にわたって延在する断面矩形状の内周溝１１が形成されている。内周溝１１には、後述する外周溝２１との間でＣ字状嵌込みリング３が相互に嵌合される。そして、Ｃ字状嵌込みリング３が内周溝１１と前記外周溝２１との間に嵌合されたときにパイプ連結状態（図１参照）となり、パイプ１０Ａ、１０Ｂの相互が回転可能、かつ引きや押し込みができない状態で連結される。

内周溝１１は、パイプ１０の内周面１０ｂにおいて全周にわたって同じ断面形状で凹んで形成されている。内周溝１１は、管軸Ｏ方向に対向する第１内面１１ａ、第２内面１１ｂと、溝底側に位置する溝底面１１ｃと、を有している。

図１に示すように、パイプ１０のパイプ端部１０ａに位置する開口内周縁部には、管軸Ｏに沿って管端側に向かうにしたがって漸次、内周面１０ｂから外周面１０ｃに向かう第１テーパー面１２が形成されている。第１テーパー面１２は、円筒状ジョイント２の挿入筒部２Ａのパイプ１０への挿入の際に、外周溝２１に嵌込まれたＣ字状嵌込みリング３を縮径させる機能を有している。

円筒状ジョイント２は、管軸Ｏ方向の中央凸部２２を挟んだ両側のそれぞれに挿入筒部２Ａを有している。一方の挿入筒部２Ａ（ここでは紙面左側）には一方のパイプ１０Ａが外嵌された状態で連結され、他方の挿入筒部２Ａ（ここでは紙面右側）には他方のパイプ１０Ｂが外嵌された状態で連結される。円筒状ジョイント２の中央凸部２２は、外周面２ａから径方向の外側に向けて凸状に突出し、周方向に延在している。中央凸部２２の外周面２２ａは、挿入筒部２Ａに外嵌したパイプ１０の外周面１０ｃと面一となる。

円筒状ジョイント２の挿入筒部２Ａと中央凸部２２との間には、管軸Ｏに沿って挿入筒部２Ａから中央凸部２２に向かうに従って漸次、拡径される第２テーパー面２３が形成されている。第２テーパー面２３は、パイプ連結状態では、相互に連結されたパイプ１０Ａ、１０Ｂの第１テーパー面１２に近接、または接した状態となる。

挿入筒部２Ａの外周面２ａには、全周にわたって延在する断面矩形状の外周溝２１が形成されている。外周溝２１には、内周溝１１との間でＣ字状嵌込みリング３が相互に嵌合される。そして、Ｃ字状嵌込みリング３が外周溝２１と内周溝１１との間に嵌合されたときにパイプ連結状態Ｔとなり、パイプ１０Ａ、１０Ｂの相互が回転可能、かつ引きや押し込みができない状態で連結される。

外周溝２１は、図３に示すように、挿入筒部２Ａの外周面２ａにおいて全周にわたって同じ断面形状で凹んで形成されている。外周溝２１は、Ｃ字状嵌込みリング３の高さ寸法Ｈｒ以上の深さ寸法Ｈｃおよび幅寸法Ｌｒ以上の溝幅寸法Ｌｃを有する締結用溝部２４と、管軸Ｏ方向で締結用溝部２４よりも離反する方向（管の引張方向Ｅ１）に向けて深さ寸法が小さくなる引張用溝部２５と、を有する。

締結用溝部２４は、引抜き側内面２４ａと、底面２４ｂと、引張用溝部２５との境界に位置する段部２４ｃと、を有している。
引張用溝部２５は、段部２４ｃから管軸Ｏ方向で管の引張方向Ｅ１に向けて深さが浅くなる傾斜底面２５ａと、傾斜底面２５ａの管の引張方向Ｅ１の端部に位置する挿入側内面２５ｂと、を有している。挿入側内面２５ｂは、傾斜底面２５ａから外周面２ａに向けて管の引張方向Ｅ１に傾斜するテーパー形状に形成されている。

次に、パイプ１０に形成される内周溝１１、円筒状ジョイント２の挿入筒部２Ａに形成される外周溝２１、及びＣ字状嵌込みリング３の具体的な構成について、図３及び図６等を用いて詳細に説明する。

先ず、図３に示すように、外周溝２１における深さ寸法が異なる二段形状の締結用溝部２４と引張用溝部２５の管軸Ｏ方向（図１参照）の長さＬｃ，Ｌｔについて説明する。
パイプ連結構造１では、締結用溝部２４の長さ寸法（第１溝幅寸法Ｌｃ）と引張用溝部２５の長さ寸法（第２溝幅寸法Ｌｔ）とは、Ｃ字状嵌込みリング３の管軸Ｏ方向の全幅寸法Ｌｒに対して、（１）式、（２）式の関係を満たすように設定されている。

このように、（１）式を満たして、パイプ連結状態においてＣ字状嵌込みリング３が位置する締結用溝部２４の第１溝幅寸法ＬｃがＣ字状嵌込みリング３の全幅寸法Ｌｒ以上とすることで、Ｃ字状嵌込みリング３が締結用溝部２４に沈み込む幅寸法を確保することができる。

一方で、パイプ１０に引張荷重（矢印Ｆ）が作用する際において、Ｃ字状嵌込みリング３が位置する引張用溝部２５については、必ずしも第２溝幅寸法ＬｔがＣ字状嵌込みリング３の全幅寸法Ｌｒ以上である必要はないが、Ｃ字状嵌込みリング３が沈み込まないように下方から支持する必要がある。
そのため、引張用溝部２５の第２溝幅寸法Ｌｔは、全幅寸法Ｌｒの２割以上を確保し、（２）式の範囲に設定される。第２溝幅寸法Ｌｔを全幅寸法Ｌｒの２割以上とすることで、以下に示すようにパイプ１０の寸法公差による傾きを考慮することができる。

図４に示す通り、パイプ１０の寸法公差によっては継手をなす円筒状ジョイント２とパイプ１０との間に不可避的に間隙が生じるため、パイプ１０が管軸Ｏに対して角度θだけ傾く。このとき、図４の領域Ｘ１、Ｘ２を拡大した図をそれぞれ図５（ａ）、（ｂ）に示している。領域Ｘ１を拡大した図５（ａ）は、図４において紙面下向きに曲げが作用したときの曲げの内弧円側を示している。一方、領域Ｘ２を拡大した図５（ｂ）は、図４において紙面下向きに曲げが作用したときの曲げの外弧円側を示している。曲げの外弧円側では図６に示した状態となり、曲げの内弧円側では図５（ｂ）に示すようにパイプ１０と円筒状ジョイント２の溝（内周溝１１と外周溝２１）の位置にずれＬｄが生じるため、当初設定された第２溝幅寸法ＬｔがずれＬｄ分だけ実質的に短くなる。ここで、図５（ｂ）に示す符号Ｄは、パイプ１０の直径方向（管軸Ｏに直交する方向）を示している。なお、図４及び図５（ａ）、（ｂ）は、説明を分かりやすくするために、図３に示すような外周溝２１の引張用溝部２５の挿入側内面２５ｂがテーパー形状ではなく、管軸Ｏに直交する方向（パイプ１０の直径方向）の面としている。

例えば、ＳＴＫ４００の管外径１１４．３ｍｍ、肉厚６．０ｍｍのパイプ１０を想定すれば、パイプ１０の肉厚公差はＪＩＳ Ｇ３４４に定める通り－０．５～＋０．６ｍｍとなる。パイプ１０と円筒状ジョイント２との初期隙間が０．６ｍｍとなる場合には、円筒状ジョイント２とパイプ１０の重なり長さＬｏを管外径と同程度の１１４．３ｍｍとすれば角度θ＝ｔａｎ^－１（０．６／１１４．３）＝０．３°となる。

このとき、溝位置のずれＬｄは図５（ｂ）に示す幾何学的な関係より、管外径１１４．３ｍｍ×ｔａｎθ＝０．６ｍｍとなる。仮にＣ字状嵌込みリング３の全幅寸法Ｌｒをパイプ１０の鋼管肉厚と同程度の６．０ｍｍとすれば、内周溝１１と外周溝２１との溝位置のずれＬｄはＣ字状嵌込みリング３の全幅寸法Ｌｒの１０％程度となる。このようにパイプ１０の傾きにより溝のずれＬｄが生じ、有効な第２溝幅寸法Ｌｔが短くなる可能性があるため、第２溝幅寸法Ｌｔは全幅寸法Ｌｒの２割以上を確保する必要がある。

また、引張用溝部２５の第２溝幅寸法Ｌｔは、０．５Ｌｒ≦Ｌｔ≦Ｌｒの範囲とすることがより好ましい。この場合、下限値を０．５Ｌｒとすることにより、Ｃ字状嵌込みリング３の重心を引張用溝部２５の傾斜底面２５ａによって下方から支持することができる。

図６に示すように、パイプ１０に引張荷重Ｆが作用する際には、Ｃ字状嵌込みリング３が管軸Ｏ方向で管の引張方向Ｅ１（図６で紙面左側）に移動して引張用溝部２５に位置する。締結用溝部２４は、パイプ連結状態Ｔにおいて、Ｃ字状嵌込みリング３の高さ寸法Ｈｒ以上の深さ寸法Ｈｃとなるように設定されている。これにより締結用溝部２４にＣ字状嵌込みリング３が位置し、Ｃ字状嵌込みリング３の全厚（高さ寸法Ｈｒ）が締結用溝部２４に沈み込むことでスムーズに締結される。
また、引張用溝部２５の深さ寸法Ｈｔは、Ｃ字状嵌込みリング３の高さ寸法Ｈｒよりも小さく設定されている。これにより、Ｃ字状嵌込みリング３が引張用溝部２５側に沈み込むことが回避され、Ｃ字状嵌込みリング３が外周溝２１内で図６の紙面に向かって反時計回り（符号Ｐ２方向）に回転変形する（図７（ｄ）参照）。

そして、パイプ１０の端部における内周溝１１の第１溝深さ寸法Ｈｐ、円筒状ジョイント２の外周溝２１における締結用溝部２４の第２溝深さ寸法Ｈｃおよび引張用溝部２５の第３溝深さ寸法Ｈｔは、Ｃ字状嵌込みリング３の高さ寸法Ｈｒに対して、（３）式～（５）式の関係を満たすように設定されている。

パイプ連結状態Ｔにおいて、Ｃ字状嵌込みリング３が位置する締結用溝部２４はＣ字状嵌込みリング３の全体が沈み込む深さが必要なため（３）式となる。また、幾何学的関係から、パイプ１０の内周溝１１の第１溝深さ寸法Ｈｐ、円筒状ジョイント２の外周溝２１における引張用溝部２５の第２溝深さ寸法Ｈｔの合計がＣ字状嵌込みリング３の高さ寸法Ｈｒ以上でないとＣ字状嵌込みリング３が円筒状ジョイント２内に存在できないため（４）式となる。

一方で、引張荷重Ｆが作用した際に、Ｃ字状嵌込みリング３がパイプ１０の内周溝１１および円筒状ジョイント２の外周溝２１に引っ掛かって係止しない状態であると、引張荷重に抵抗できないため、外周溝２１の深さ寸法を採用して上述した（５）式となる。なお、円筒状ジョイント２とパイプ１０に極端な強度差が無い限り、パイプ１０の内周溝１１と円筒状ジョイント２の外周溝２１がそれぞれＣ字状嵌込みリング３と接触する面積がなるべく等しい方がバランスが良いことから、より好ましくは０．４Ｈｒ≦Ｈｔ≦０．６Ｈｒとなる。

ここで、上記（３）式～（５）式では、パイプ１０と円筒状ジョイント２との間に生じる公差分の隙間Ｈｂを考慮することが好ましい。すなわち、（３）式～（５）式は、隙間Ｈｂが第１溝深さ寸法Ｈｐ、第２溝深さ寸法Ｈｃおよび第３溝深さ寸法Ｈｔのいずれかに含まれるものとして設定することができる。あるいは、（３）式をＨｃ＋Ｈｂ≧Ｈｒ、（４）式を、Ｈｐ+Ｈｔ＋Ｈｂ≧Ｈｒとし、（５）式を、０．１Ｈｒ≦Ｈｔ＋Ｈｂ≦０．９Ｈｒとしてもよい。隙間Ｈｂの大きさは、直径寸法で０．３～１．０ｍｍ程度である。

次に、上述したパイプ連結構造１の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態による図１及び図３に示すパイプ連結構造１では、円筒状ジョイント２の外周溝２１にＣ字状嵌込みリング３を嵌合させてセットしてから、円筒状ジョイント２の挿入筒部２Ａをパイプ端部１０ａの内側に挿入（あるいは、パイプ１０を円筒状ジョイント２の挿入筒部２Ａに外嵌）することにより、テーパー面１２に沿ってＣ字状嵌込みリング３が徐々に縮径され、パイプ１０の内周面１０ｂの内径以下の径寸法になって外周溝２１の締結用溝部２４内に全体が押し込まれる。これにより、パイプ１０の内周面１０ｂにＣ字状嵌込みリング３が引っ掛からずに円筒状ジョイント２をパイプ１０内に挿入される。

その後、さらに円筒状ジョイント２をパイプ１０に挿入（あるいは、パイプ１０を円筒状ジョイント２に深く外嵌）することで、図１及び図３に示すように、Ｃ字状嵌込みリング３がパイプ１０の内周溝１１の位置で弾発力によって拡径し、Ｃ字状嵌め込みリング１０３の外周側の一部が内周溝１１に嵌合する。これにより、Ｃ字状嵌込みリング３が外周溝２１と内周溝１１との間に嵌合されたパイプ連結状態（図１参照）となり、パイプ１０Ａ、１０Ｂの相互が回転可能、かつ引きや押し込みができない状態で連結される。

本実施形態によるパイプ連結構造１では、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、パイプ１０に引張荷重Ｆが作用すると、Ｃ字状嵌込みリング３は外周溝２１の締結用溝部２４から引張用溝部２５に移動する。このとき、引張用溝部２５は締結用溝部２４よりも離反する方向（管の引張方向Ｅ１）に向けて深さ寸法が小さく設定されているので、Ｃ字状嵌込みリング３の内周側に引張用溝部２５の傾斜底面２５ａが位置し、Ｃ字状嵌込みリング３の径方向内側に移動、あるいは変形するスペースがない状態となり、傾斜底面２５ａから支持された状態となる。そのため、Ｃ字状嵌込みリング３は、締結用溝部２４の溝底に沈み込む方向（図７（ｄ）において時計回りの方向Ｐ２）に回転力が作用することが抑制され、図７（ｃ）、（ｄ）に示すように、内周溝１１内に進入する方向（図中の矢印Ｐ１）に回転力が作用する。

つまり、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、矢印Ｐ１方向（図７の紙面で反時計回りの方法）に回転力が作用したＣ字状嵌込みリング３がパイプ１０の引抜き方向（引張荷重Ｆの方向）への移動を規制することから、パイプ連結構造１としての引張強度を向上させることができる。これにより、パイプ１０がＣ字状嵌込みリング３の外側に持ち上がっても、Ｃ字状嵌込みリング３を超えて円筒状ジョイント２の外周面２ａに沿って抜け出す方向に移動して離脱しにくい構造となり、パイプ１０と円筒状ジョイント２との連結が外れることを抑制することができる。

このように、本実施形態では、外周溝２１に収納されるＣ字状嵌込みリング３は、パイプ１０と円筒状ジョイント２との締結時にはＣ字状嵌込みリング３が下部に沈み込む空間を確保された締結用溝部２４が使用され、パイプ１０に引張荷重Ｆが作用したときにはＣ字状嵌込みリング３の内周側の空間を塞ぐ引張用溝部２５が使用され、外周溝２１に二つの機能をもたせて状況によって二つの機能を効果的に使い分けることができる。
このように本実施形態では、結合させるパイプ１０や部材の加工を最小限に抑えた簡単な構造で、施工を容易に行うことができる。

また、本実施形態では、図３に示すように、締結用溝部２４の第１溝幅寸法Ｌｃおよび引張用溝部２５の第２溝幅寸法ＬｔがＣ字状嵌込みリングの管軸方向の全幅寸法Ｌｒに対して上記（１）式、（２）式の関係を満たすように設定されている。そのため、Ｃ字状嵌込みリング３の重心を引張用溝部２５の傾斜底面２５ａによって支持することができ、Ｃ字状嵌込みリング３が締結用溝部２４の溝底に沈み込む方向に回転力が作用することをより確実に抑制することができる。

さらに、本実施形態では、パイプ１０の端部の第１溝深さ寸法Ｈｐ、円筒状ジョイント２における締結用溝部２４の第２溝深さ寸法Ｈｃおよび引張用溝部２５の第３溝深さ寸法Ｈｔが、Ｃ字状嵌込みリング３の高さ寸法Ｈｒに対して、上述した（３）式～（５）式の関係を満たすように設定されている。そのため、パイプ１０に引張荷重が作用した際に、Ｃ字状嵌込みリング３がパイプ１０の内周溝１１および円筒状ジョイント２の外周溝２１に引っ掛かって係止し易くなり、パイプ１０の引張荷重Ｆに抵抗することができる。

上述した本実施形態によるパイプ連結構造１では、結合させるパイプ１０Ａ、１０Ｂや円筒状ジョイント２等の部材の加工を最小限に抑えつつ、施工が簡易であり、かつ十分な引張強度を確保することができる。

次に、上述した実施形態によるパイプ連結構造１の効果を裏付けるために行った実施例について以下説明する。

（実施例）
実施例では、上述したパイプ連結構造１の効果を確認するために、弾塑性有限要素法（ＦＥＡ）によるＦＥＡモデルを作成して数値シミュレーション解析を行い、パイプ連結構造１のパイプ１０に引張荷重Ｆを作用させたときの継手変形挙動の構造解析を行って、その効果を確認した。

図７（ａ）～（ｄ）は、本実施例の解析結果を模式的に示した要部断面図でもある。この結果、Ｃ字状嵌込みリング３が紙面に対して反時計回り（矢印Ｐ２方向）に回転し、パイプ１０と円筒状ジョイントの早期の離脱が抑止されていることを確認できた。

図８は、上述した実施形態と同様に外周溝に締結用溝部と引張用溝部とを設けた実施例と、引張用溝部が設けられていない従来の外周溝からなる比較例で引張試験を行い、変位（ｍｍ）と荷重（ｋＮ）の関係を示したグラフである。この結果、実施例の引張荷重が比較例よりも大きくなっていることを確認できた。

次に、本発明のパイプ連結構造の他の実施形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１実施形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、実施形態と異なる構成について説明する。

（第２実施形態）
図９に示す第２実施形態によるパイプ連結構造１Ａについて説明する。
円筒状ジョイント２は、パイプ端部１０ａの外側に嵌合する外嵌筒部２Ｂを有し、外嵌筒部２Ｂの内周面２ｂに内周溝２６が形成され、パイプ端部１０ａの外周面１０ｃに外周溝１３が形成されている。
この場合、パイプ連結状態において内周溝２６と外周溝１３との間にＣ字状嵌込みリング３が嵌合される。そして、内周溝２６は、Ｃ字状嵌込みリング３の高さ寸法以上の深さ寸法、およびＣ字状嵌込みリング３の幅寸法以上の溝幅寸法を有する締結用溝部２７と、管軸Ｏ方向で締結用溝部２７よりも離反する方向に向けて深さ寸法が小さくなる引張用溝部２８と、を有する。

第２実施形態によるパイプ連結構造１Ａでは、パイプ１０に引張荷重が作用すると、Ｃ字状嵌込みリング３は内周溝２６の締結用溝部２７から引張用溝部２８に移動する。このとき、引張用溝部２８は締結用溝部２７よりも離反する方向に向けて深さ寸法が小さく設定されているので、Ｃ字状嵌込みリング３の外周側に引張用溝部２８の傾斜底面２８ａ（溝底）が位置し、Ｃ字状嵌込みリング３の径方向外側に移動、あるいは変形するスペースがない状態となり、傾斜底面２８ａから支持された状態となる。

そのため、Ｃ字状嵌込みリング３は、締結用溝部２７の溝底に沈み込む方向に回転力が作用することが抑制され、外周溝１３内に進入する方向に回転力が作用する。つまり、回転力が作用したＣ字状嵌込みリング３がパイプ１０の引抜き方向への移動を規制することから、パイプ連結構造１Ａとしての引張強度を向上させることができる。これにより、パイプ１０がＣ字状嵌込みリング３の内側に下がっても、Ｃ字状嵌込みリング３を超えて円筒状ジョイント２の内周面２ｂに沿って抜け出す方向に移動して離脱しにくい構造となり、パイプ１０と円筒状ジョイント２との部材との連結が外れることを抑制することができる。

このように、第２実施形態によるパイプ連結構造１Ａでは、内周溝２６に収納されるＣ字状嵌込みリングは、パイプ１０と円筒状ジョイント２との締結時にはＣ字状嵌込みリング３が下部に沈み込む空間を確保された締結用溝部２７が使用され、パイプ１０に引張荷重が作用したときにはＣ字状嵌込みリング３の外周側の空間を塞ぐ引張用溝部２８が使用され、内周溝２６に二つの機能をもたせて状況によって二つの機能を効果的に使い分けることができる。
このように本実施形態では、結合させるパイプ１０や部材の加工を最小限に抑えた簡単な構造で、施工を容易に行うことができる。

以上、本発明によるパイプ連結構造の実施形態について説明したが、本発明は前記の実施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。

例えば、円筒状ジョイント２の外周溝２１の溝形状は、本実施形態に限定されることはない。例えば、図１０に示す変形例では、外周溝２１Ａの引張用溝部２５Ａは、挿入側内面２５ｄが周方向からみて挿入筒部２Ａの外周面２ａに対して直交する方向に延在している。

また、本実施形態では、締結用溝部の第１溝幅寸法Ｌｃおよび引張用溝部の第２溝幅寸法Ｌｔは、Ｃ字状嵌込みリングの管軸方向の全幅寸法Ｌｒに対して上述した（１）式、（２）式の関係を満たす構成としているが、このような関係式を満たすことに限定されることはない。

さらに、本実施形態では、パイプの端部の第１溝深さ寸法Ｈｐ、円筒状ジョイントにおける締結用溝部の第２溝深さ寸法Ｈｃおよび引張用溝部の第３溝深さ寸法Ｈｔは、Ｃ字状嵌込みリングの高さ寸法Ｈｒに対して上述した（３）式～（５）式の関係を満たす構成としているが、このような関係式を満たすことに限定されることはない。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１、１Ａ パイプ連結構造
２ 円筒状ジョイント
２Ａ 挿入筒部
２Ｂ 外嵌筒部
３ Ｃ字状嵌込みリング
１０、１０Ａ、１０Ｂ パイプ
１１ 内周溝
１３ 外周溝
２１ 外周溝
２４ 締結用溝部
２５、２５Ａ 引張用溝部
２５ａ 傾斜底面（溝底）
２５ｄ 挿入側内面
２６ 内周溝
２７ 締結用溝部
２８ 引張用溝部
Ｏ 管軸

Claims (4)

1. パイプの端部に挿入する挿入筒部を両端に有する円筒状ジョイントを介して一対の前記パイプ同士を同軸線上に連結するパイプ連結構造であって、
   前記挿入筒部の外周面には、該外周面の全周にわたって延在する外周溝と、
   前記パイプの端部の内周面には、該内周面の全周にわたって延在する内周溝と、
   前記外周溝と前記内周溝のそれぞれに周方向にわたって嵌合することでパイプ連結状態とするＣ字状嵌込みリングと、を備え、
   前記外周溝は、
   前記Ｃ字状嵌込みリングの高さ寸法以上の深さ寸法、および前記Ｃ字状嵌込みリングの幅寸法以上の溝幅寸法を有する締結用溝部と、
   管軸方向で該締結用溝部よりも離反する方向に向けて深さ寸法が小さくなる引張用溝部と、を有することを特徴とするパイプ連結構造。
2. パイプの端部が挿入される外嵌筒部を両端に有する円筒状ジョイントを介して一対の前記パイプ同士を同軸線上に連結するパイプ連結構造であって、
   前記外嵌筒部の内周面には、該内周面の全周にわたって延在する内周溝と、
   前記パイプの端部の外周面には、該外周面の全周にわたって延在する外周溝と、
   前記内周溝と前記外周溝のそれぞれに周方向にわたって嵌合することでパイプ連結状態とするＣ字状嵌込みリングと、を備え、
   前記内周溝は、
   前記Ｃ字状嵌込みリングの高さ寸法以上の深さ寸法、および前記Ｃ字状嵌込みリングの幅寸法以上の溝幅寸法を有する締結用溝部と、
   管軸方向で該締結用溝部よりも離反する方向に向けて深さ寸法が小さくなる引張用溝部と、を有することを特徴とするパイプ連結構造。
3. 前記締結用溝部の第１溝幅寸法Ｌｃおよび前記引張用溝部の第２溝幅寸法Ｌｔは、前記Ｃ字状嵌込みリングの管軸方向の全幅寸法Ｌｒに対して（１）式、（２）式の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載のパイプ連結構造。
   

   
4. 前記パイプの端部の第１溝深さ寸法Ｈｐ、前記円筒状ジョイントにおける前記締結用溝部の第２溝深さ寸法Ｈｃおよび前記引張用溝部の第３溝深さ寸法Ｈｔは、前記Ｃ字状嵌込みリングの高さ寸法Ｈｒに対して（３）式～（５）式の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載のパイプ連結構造。
   

   

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