(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6205964
(24)【登録日】2017年9月15日
(45)【発行日】2017年10月4日
(54)【発明の名称】高力ボルトの摩擦接合構造
(51)【国際特許分類】
E04B 1/61 20060101AFI20170925BHJP
【FI】
E04B1/61 502L
【請求項の数】5
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2013-165195(P2013-165195)
(22)【出願日】2013年8月8日
(65)【公開番号】特開2015-34397(P2015-34397A)
(43)【公開日】2015年2月19日
【審査請求日】2016年4月5日
(73)【特許権者】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】新日鐵住金株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100064908
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武
(74)【代理人】
【識別番号】100108578
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 詔男
(74)【代理人】
【識別番号】100106909
【弁理士】
【氏名又は名称】棚井 澄雄
(74)【代理人】
【識別番号】100129403
【弁理士】
【氏名又は名称】増井 裕士
(74)【代理人】
【識別番号】100134359
【弁理士】
【氏名又は名称】勝俣 智夫
(72)【発明者】
【氏名】田中 浩史
(72)【発明者】
【氏名】河合 良道
(72)【発明者】
【氏名】海原 広幸
(72)【発明者】
【氏名】川上 寛明
【審査官】
西村 隆
(56)【参考文献】
【文献】
登録実用新案第3181778(JP,U)
【文献】
実開昭52−093878(JP,U)
【文献】
特表2009−533605(JP,A)
【文献】
特開平11−350160(JP,A)
【文献】
米国特許出願公開第2012/0000158(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
E04B 1/61
F16B 5/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高力ボルトの摩擦接合構造に関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第4805189号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【発明の効果】
【0023】
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。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【
図1】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2】
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。
【
図4】2枚の鋼板を接合する前の状態を示す斜視図である。
【
図5】(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。
【
図6】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7】
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。
【
図8】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9】
図8に示す鋼板と添板の接合前の平面図である。
【
図10】
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。
【
図11】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13】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。
【発明を実施するための形態】
【0025】
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。
【0026】
(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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
(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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【符号の説明】
【0048】
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