特開 2024-125952 ボルト締結構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024125952

(43)【公開日】2024-09-19

(54)【発明の名称】ボルト締結構造

(51)【国際特許分類】

   F16B 5/02 20060101AFI20240911BHJP

   F16B 21/12 20060101ALI20240911BHJP

   G01L 5/00 20060101ALI20240911BHJP

【ＦＩ】

F16B5/02 U

F16B21/12 A

G01L5/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023034105

(22)【出願日】2023-03-06

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】閔 子

(72)【発明者】

【氏名】石井 優治

(72)【発明者】

【氏名】小山 泰平

【テーマコード（参考）】

2F051

3J001

3J037

【Ｆターム（参考）】

2F051AA06

2F051AB01

3J001FA02

3J001GB01

3J001HA02

3J001HA07

3J001JA10

3J001KA21

3J037AA06

3J037BB10

3J037HA01

(57)【要約】

【課題】ボルト締結構造における締結板同士の相対変位を容易に判定すること。
【解決手段】実施形態のボルト締結構造は、複数の締結板をボルトにより締結してなるボルト締結構造であって、ボルトのせん断方向耐力よりも小さいせん断方向耐力を有する検知用構造体を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の締結板をボルトにより締結してなるボルト締結構造であって、
前記ボルトのせん断方向耐力よりも小さいせん断方向耐力を有する検知用構造体を備えた、ボルト締結構造。

【請求項2】

前記検知用構造体は、前記複数の締結板を貫通するように配設されたピン状部材またはボルトからなることを特徴とする請求項１記載のボルト締結構造。

【請求項3】

前記検知用構造体は、前記複数の締結板の縁部と前記ボルトとの間に配設されたことを特徴とする請求項１記載のボルト締結構造。

【請求項4】

前記複数の締結板は複数のボルトにより締結され、
前記検知用構造体は、さらに前記複数のボルトの間に配設されたこと
を特徴とする請求項３記載のボルト締結構造。

【請求項5】

前記ピン状部材または前記ボルトと前記複数の締結板との間の間隙に防水シールドが封入されたことを特徴とする請求項４記載のボルト締結構造。

【請求項6】

前記検知用構造体は、前記複数の締結板の相対変位が所定の値を超えた場合に変形または破断することを特徴とする請求項１記載のボルト締結構造。

【請求項7】

前記検知用構造体は、少なくとも一方の端部が前記複数の締結板の表面から露出していることを特徴とする請求項１記載のボルト締結構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、ボルト締結構造に関する。

【背景技術】

【0002】

複数の締結板をボルトで固定するようなボルト締結構造においては、ボルトが破断に至る前に締結板のすべりを検知することが重要である。締結板のすべりを検知する方法としては、あらかじめ締結板同士に合いマークを付しておき、目視点検において当該マークのずれ具合をチェックする方法が知られている。

【0003】

しかし、締結板同士のわずかなずれ量を目視で計測するのは困難である。特にボルトの数が多い場合、点検負荷が大きい。また、実製品にマークを付すことが外観上好ましくない場合がある。従来、点検においてボルト締結板同士の相対変位を判定することが困難であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第6939309号明細書

【特許文献2】特許第5221984号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

このように、従来のボルト締結構造においては、締結板同士の相対変異を判定することが難しいという問題がある。本発明が解決しようとする課題は、ボルト締結構造における締結板同士の相対変位を容易に判定することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態のボルト締結構造は、複数の締結板をボルトにより締結してなるボルト締結構造であって、ボルトのせん断方向耐力よりも小さいせん断方向耐力を有する検知用構造体を備えている。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１の実施の形態に係るボルト締結構造の構成を示す平面図である。

【図2】図１に示すボルト締結構造のII-II線矢視断面図である。

【図3】図１に示すボルト締結構造における締結板のずれを示す断面図である。

【図4】第１の実施の形態に係るボルト締結構造における締結板同士のすべり量とボルト締結構造のせん断荷重の関係を示す図である。

【図5】第２の実施の形態に係るボルト締結構造の断面構造を示す断面図である。

【図6】第２の実施の形態に係るボルト締結構造における締結板のずれを示す断面図である。

【図7】第３の実施の形態に係るボルト締結構造の構成を示す平面図である。

【図8】図７に示すボルト締結構造のVIII-VIII線矢視断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るボルト締結構造について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

【0009】

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態のボルト締結構造の平面構成を示す図、図２は、図１に示すボルト締結構造のII-II線の矢視断面図である。

【0010】

図１および２に示すように、ボルト締結構造１は、平面形状の第１の締結板１０および第２の締結板２０を重ね合わせた構成を有する。重ね合わされた第１の締結板１０および第２の締結板２０は、第１の締結板１０の外表面から第２の締結板２０の外表面に向けて貫通する貫通孔１５を有する。

【0011】

貫通孔１５には、その第１の締結板１０側の開口部からボルト３０が貫入されている。ボルト３０の端部は、その第２の締結板２０側の開口部から露出し、ナット４０により締結されている。すなわち、ナット３０およびボルト４０は、貫通孔１５を貫通し第１の締結板１０および第２の締結板２０を締結している。図１および図２に示す例では、第１の締結板１０および第２の締結板２０には貫通孔１５が二つ形成され、それぞれボルト３０およびナット４０により締結されている。

【0012】

ボルト３０のねじ山と貫通孔１５の壁面とは、締結に支障がない程度に空隙が設けられている。

【0013】

第１の締結板１０は、その外表面に孔５５を有する。また、第２の締結板２０は、その外表面に孔６０を有する。孔５５は、第１の締結板１０側の厚み方向の略半分程度の深さを有する。孔６０は、第２の締結板２０側の厚み方向の略半分程度の深さを有する。孔５５および孔６０には、孔５５から孔６０に向けてピン５０が圧入されている。ピン５０は、第１の締結板１０および第２の締結板２０のすべりを検知する検知用構造体として機能する。ピン５０は、第１の締結板１０の孔５５の底部から第２の締結板２０の孔６０の底部までを貫通し第２の締結板２０の厚さ方向の略中央付近まで刺し入れられている。

【0014】

第１の締結板１０の表面側において、ピン５０と孔５５の壁面との間には若干の空隙が設けられている。ピン５０は、第２の締結板２０の外表面までは貫通しておらず、第２の締結板２０の表面側には孔６０の開口部が形成されている。第１の締結板１０および第２の締結板２０の接触面近傍において、ピン５０は、直接第１の締結板１０および第２の締結板２０の内部と接触しており、この領域において間隙はない。第２の締結板２０の外表面側に形成された孔６０開口部には、例えば防水シートなどが封入されている。

【0015】

図１に示すように、ピン５０は、第１の締結板１０の平面上においてボルト３０よりも第１の締結板１０の縁部側に配設されている。すなわち、ピン５０は、第１の締結板１０の平面方向においてその周縁部とボルト３０との間に配設されている。図１に示す例では、重ね合わされた第１の締結板１０および第２の締結板２０に二つのボルト３０およびナット４０が配設され、二つのボルト３０を結ぶ延長線上かつ第１の締結板１０の縁部側にピン５０が配設されている。

【0016】

図２に示すように、この実施形態では、第１の締結板１０および第２の締結板２０を重ね合わせ、ボルト３０を貫通孔１５に貫通させてナット４０により締結している。ボルト３０と貫通孔１５の壁面との間には間隙が設けられている。一方、第１の締結板１０および第２の締結板２０には、両者を貫通するようにピン５０が配設されている。ピン５０の少なくとも一部は、第１の締結板１０および第２の締結板２０と間隙なく直接接する状態とされている。

【0017】

図２に示す例では、ピン５０は摩擦により第１の締結板１０および第２の締結板２０に固定されているがこれには限定されない。例えばネジ山を有するボルトの構成を有し、孔５５からねじ止めされてもよい。

【0018】

（第１の実施の形態の作用）
図２において、第１の締結板１０および第２の締結板２０にせん断方向の力Ｆが加わった場合、力Ｆはボルト３０およびナット４０から構成されるボルト締結部に伝達される。せん断荷重（力Ｆ）がボルト締結部のせん断方向のすべり耐力まで上昇すると、第１の締結板１０および第２の締結板２０の間にすべりが発生する。ここで「ボルト締結部のせん断方向のすべり耐力」とは、第１の締結板１０および第２の締結板２０の２枚が相互にすべりを生じないという意味での耐力である。

【0019】

第１の締結板１０および第２の締結板２０の間にすべりが発生すると、ピン５０にもボルト締結部と同じせん断荷重が伝達される。ピン５０の第１の締結板１０および第２の締結板２０の接触面におけるせん断方向すべり耐力と、ボルト締結部のせん断方向すべり耐力は、それぞれ、締結部の条件によって計算される。実施形態のボルト締結構造は、ピン５０のせん断方向すべり耐力がボルト締結部のせん断方向すべり耐力よりも小さくなるように構成される。

【0020】

ボルト３０の締結部のせん断方向耐力をＦｓｌとすると、次の式（１）のように表す。
Ｆｓｌ＝μＮｍｎ ・・・（１）
ここで、μはすべり係数、Ｎは締結軸力、ｍはボルト行数、ｎはボルト列数である。

【0021】

一方、締結板の降伏耐力をＰｓｌとすると、次の式（２）のように表す。
Ｐｓｌ＝（Ｗ－ｄ）ｔσ ・・・（２）
ここで、Ｗは締結板の板幅、ｄは孔５５の孔径、ｔは締結板の板厚、σは降伏応力である。

【0022】

数式（１）および（２）において、通常、降伏耐力Ｐｓｌがせん断方向耐力Ｆｓｌを上回るので、すべりが発生する。ここで、ボルト３０の一本のせん断耐力をＶｂ、ピン５０のせん断耐力をＶｐ、ボルト３０の本数をｎｂ、ピン５０の本数をｎｐとしたとき、次の式（３）に示すように、ボルト３０のせん断方向耐力（Ｖｂ・ｎｂ）がピン５０のせん断方向耐力（Ｖｐ・ｎｐ）より大きい場合、ボルト３０よりもピン５０の方が先に破断する。
Ｖｂ・ｎｂ＞Ｖｐ・ｎｐ ・・・（３）

【0023】

加えて、ボルト３０と貫通孔１５の壁面には間隙が設けられているから、第１の締結板１０および第２の締結板２０の間にすべりが発生すると、ボルト３０よりもピン５０の方が先に破断することになる。

【0024】

なお、第１の締結板１０および第２の締結板２０の間のすべり（変位）は、ピン５０の破断だけでなく、ピン５０の変形（屈曲）によっても検知することができる。具体的には、ハンマリング等によりピン５０の頭部に振動を加えた場合に、ピン５０の端部への振動の伝わり方によってピン５０の変形の有無を観測することができる。

【0025】

図３は、第１の締結板１０および第２の締結板２０の間にすべりが発生した様子を示している。第１の締結板１０の孔５５および第２の締結板２０の孔６０の間にピン５０を圧入した状態でせん断荷重Ｆを受けた場合、せん断荷重がピン５０の破断荷重を超えると、第１の締結板１０および第２の締結板２０の接合面の位置でピン５０がボルト３０よりも先に破断する。この状態において、ハンマリングまたは非接触探傷装置などの点検方法を用いることで、ピン５０の破断の有無を容易に検知することができる。

【0026】

例えば、ハンマリングの場合、第１の締結板１０の側からボルト３０の頭を打振したとき、反対側の第２の締結板２０の側への振動伝達を指で触れて調べることで、破断の有無を検知することができる。ハンマリングに替えて、非接触探傷装置などを利用して破断の有無を検知してもよい。この実施形態のボルト締結構造では、第１の締結板１０および第２の締結板２０の間の数ｍｍ程度のすべりであっても、ピン５０の破断の有無により検知することが可能になる。

【0027】

図４は、この実施形態における締結板同士のすべり量と、ボルト締結構造のせん断荷重との関係を示している。図４に示すように、ボルト締結構造１の第１の締結板１０および第２の締結板２０それぞれにせん断荷重Ｆ１が加えられると、すべり量ゼロからｘ１までの範囲でせん断荷重がＦ１からＦ２へと減少する。すなわち、第１の締結板１０および第２の締結板２０の間ですべりが発生した状態である。実施形態のボルト締結構造では、この範囲内においてピン５０が破断する。

【0028】

次いで、すべり量ｘ１においてせん断荷重が再度増加に転ずる。この点で、ボルト３０と貫通孔１５の壁面とが接触し、ボルト３０の破断が始まりつつある状態となる。このまません断荷重が増加を続けると、ボルト３０も破断に至る。すなわち、すべり量がｘ１に達するまでに異常を発見できればよい。実施形態のボルト締結構造では、すべり量ゼロにおいてピン５０が先に破断するから、ボルト３０が破断に至る前に異常を容易に発見することができる。

【0029】

（第２の実施の形態）
続いて、図５および図６を参照して、第２の実施の形態に係るボルト締結構造について説明する。第２の実施の形態は、第１の実施の形態におけるピン５０の構造を変更したものである。以下の説明において、共通する要素については共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。

【0030】

この実施形態のボルト締結構造２では、第２の締結板２０は、第1の実施の形態の孔６０に替えて孔５６を有する。すなわち、第１の締結板１０は、その外表面に孔５５を有し、第２の締結板２０は、その外表面に孔５６を有する。孔５５は、第１の締結板１０の厚み方向の略半分程度の深さを有する。孔５６は、第２の締結板２０の厚み方向の略半分程度の深さを有する。ピン５２は、第１の締結板１０の孔５５から第２の締結板２０の孔５６に向けて圧入されている。

【0031】

ピン５２は、ピン５２を第１の締結板１０および第２の締結板２０の孔５５および孔５６に一杯に挿し入れたときに、ピン５２の端部が第２の締結板２０の孔５６から露出する程度の長さを有している。すなわち、ピン５２を孔５５および孔５６に挿し入れたときに、ピン５２の端部を孔５６の開口部から指などにより触れることができる。

【0032】

第１の締結板１０の表面側において、ピン５２と孔５５の壁面との間には若干の間隙が設けられている。同様に、第２の締結板２０の表面側において、ピン５２と孔５６の壁面との間には若干の間隙が設けられている。第１の締結板１０および第２の締結板２０の接触面近傍においては、ピン５２は、直接第１の締結板１０および第２の締結板２０の内部と接触しており、この領域において空隙はない。孔５５および孔５６とピン５２との間の空隙には、防水シールドなどが封入されてもよい。

【0033】

図５に示す例では、ピン５２は摩擦により第１の締結板１０および第２の締結板２０に固定されているがこれには限定されない。例えばネジ山を有するボルトの構成を有し、孔５５からねじ止めされてもよい。

【0034】

図６は、第１の締結板１０および第２の締結板２０の間にすべりが発生した様子を示している。第１の締結板１０の孔５５および第２の締結板２０の孔５６の間にピン５２を圧入した状態でせん断荷重Ｆを受けた場合、せん断荷重がピン５２の破断荷重を超えると、第１の締結板１０および第２の締結板２０の接合面の位置でピン５２がボルト３０よりも先に破断する。この状態において、ハンマリングまたは非接触探傷装置などの点検方法を用いることで、ピン５０の破断の有無を容易に検知することができる。

【0035】

この実施形態のボルト締結構造２によれば、検知用のピン５０の長さが、第２の締結板２０の開口部から指で触れることができる程度に長い。したがって、ハンマリングによる点検時において、振動伝達を指で容易に感知することができる。

【0036】

（第３の実施の形態）
続いて、図７および図８を参照して、第３の実施の形態に係るボルト締結構造について説明する。第３の実施の形態は、第１および第２の実施の形態の第１の締結板１０および第２の締結板２０を締結するボルトとピンの数を変更したものである。以下の説明において、共通する要素については共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。

【0037】

図７および図８に示すボルト締結構造３では、第１の締結板１０および第２の締結板２０には貫通孔１５が５つ形成され、５対のボルト３０およびナット４０により締結されている。

【0038】

図７に示すように、ピン５０は、第１の締結板１０の平面上においてボルト３０よりも第１の締結板１０の縁部側に形成されている。さらに、この実施形態では、第１の締結板１０の縁部だけでなく、ボルト３０とボルト３０の間にも配設されている。すなわち、重ね合わされた第１の締結板１０および第２の締結板２０に複数のボルト３０およびナット４０が配設され、複数のボルト３０を結ぶ延長線上かつ第１の締結板１０の縁部側およびボルト３０の間にピン５０が配設されている。

【0039】

重ね合わされ複数のボルト３０で締結された第１の締結板１０および第２の締結板２０についてせん断力Ｆを受けた場合、せん断力Ｆは複数のボルト３０で分担される。そこで、分担率がもっとも高くなる両縁部にピン５０を配設し、さらに２列目以降に必要に応じてピン５０を設置する。これにより、複雑な構造物のうちボルト締結部毎、受ける荷重に応じてピンの配置を設計し、ピンの設置位置および設置数を最適化することで、点検負荷低減と検知効率をアップすることが可能になる。

【0040】

このように、実施形態に係るボルト締結構造では、せん断方向でボルトにより締結された締結板同士の相対変位が発生した場合、相対変位を検知する構造物としてのピンを備え、その構造物の状態を目視で観察するだけで板同士の相対変位量が基準値以上であることが検知することができる。これにより、点検作業の負荷低減が期待できる。

【0041】

以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0042】

１，２，３…ボルト締結構造、１０…第１の締結板、１５…貫通孔、２０…第２の締結板、３０…ボルト、４０…ナット、５０，５２…ピン、５５，６０…孔。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】