JPH0429607A - 耐遅れ破壊特性の優れた高張力ボルト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は各種産業分野において利用される高張力ボルト
に関し、特に土木、建築、海洋構造物構築に用いられる
耐遅れ破壊特性の優れた高張力ボルトに係る６ ［従来の技術］ 各種産業分野において利用される鋼材の接合に際しては
、各種の溶接手段のばかボルト接合子ｔ９が一般に用い
られている。

近時経済性の追及と技術の進歩から鋼材の高張力化が促
進され、その接合に高張力ボルトが採用されるようにな
った。特に、土木、建築分野では摩擦接合手段が多用さ
れるようになり、それに用いるボルトとして、日本工業
短絡のＪＩＳ−Ｂ−１１８６に規定される摩擦接合用高
力六角ボルト、六角ナット、平座金のセットが広（採用
されている。そして、前記高力六角ボルト（以下、本発
明では説明の都合上高張力ボルトと総称する）において
は、遅れ破壊現象のため現在のところＦＩ　ＩＴ以上の
ものは使用が避けられているが、一方鋼板の製造技術は
ますます進歩し、経済的な価格で高強度のものが市販さ
れるようになり、それにともなって強度の高い鋼構造物
を製作するため耐遅れ破壊特性の優れた高張力ボルト（
特にＦ１５Ｔ１００の開発が強く望まれるようになった
。

遅れ破壊の防止には、材料に耐遅れ破壊特性の優れた低
・中炭素鋼を使用するほかに、高張力ボルト各部に生ず
る応力集中を出来るだけ小さくする必要のあることが一
般に知られている。

ところで、この応力集中の低減は耐疲労に対しても非常
に有効なことが多くの文献で報告されており、この観点
からねじ山形状を改善してねじ谷底の応力集中を小さく
することで耐疲労強度の増大を図った耐疲労ねじ（以下
、Ａ発明と云う）が特公昭５３−２９７８０号公報に記
載されているが、Ａ発明は耐遅れ破壊にも充分な効果を
奏すると考えられる。高張力ボルトにおいて、遅れ破壊
を起こす部位は主としてボルト頭の首下部、ねじ切り上
部およびナツトの負荷座面に近いねじ部であり、これら
の部位は応力の集中が大きく、また高軸力での締め付け
に対しては塑性歪も大きくなるため、それらの部位を起
点として遅れ破壊が生ずることは多くの研究によって知
られている。Ａ発明は、最も遅れ破壊が発生する頻度の
高いねじ山について、その形状の改善を工夫したもので
あり、フランク角度を（７０±２）°もしくは（１０６
±５）°とし、それぞれのねじ谷底を半径が（０，１５
±０．０２）　ｐ　（ピッチ）もしくは（０，３０±０
．０１）　ｐの円弧によって形成したものである。

この他、市販されている高張力ボルトには、前記ボルト
頭の首下部、ねじ切り上部およびナツトの負荷座面に近
いねじ部などにおける応力の集中を避ける目的で、ボル
ト頭の首下部には複合Ｒを採用し、ねじ部では谷底のＲ
を正確に刻設すると共にねじ切り上部の谷底に丸みをつ
けたボルトが存在する。しかしながら、この市販ボルト
についてはねじ谷底の弧状曲線がどのような理論により
形成されているか明らかにされておらず、さらにその作
用効果の裏付けとなる試験データも発表されていない。

本出願人の知る限りにおいて、特に土木、建築分野にお
ける高張力ボルトにおいて前記Ａ発明は実用されておら
ず、またＦＩＩＴ以上のもの、さらには特にＦ１５Ｔ１
００もので、応力の集中の少ない新規な形状を有する高
張力ボルトであって、布中に広く提供されている例はな
い。そこで、本発明者らは、耐遅れ破壊特性の優れた高
張力ボルトについて研究の結果、成分が低・中炭素鋼で
あって、ねじ山のフランク角度が６０°で、かつ等間隔
ピッチに刻設され、さらに谷底が下記条件および算式に
規定される３円弧合成法によって構成される弧状曲線に
形成されている耐遅れ破壊特性の優れた高張力ボルト（
以下、Ｂ発明と云う）を開発した。そして、前記３円弧
合成法は、とがり山の高さをＨとし、相対するねじ山の
フランク面と谷底との移行点Ｂ１．Ｂ１をとがり山底辺
から（９±１）Ｈ／２０に設定し、前記それぞれの移行
点Ｂ＋　、Ｂａにおいて前記フランク面に当接する半径
ｒがＨ／６の当接小円を描き、さらに前記フランク面の
延長線と底辺の交点から該底辺に直交する高さ方向にお
ける０、９７６Ｈ以上の任意位置を中心とし半径Ｒが２
／３Ｈ以上の大円を描き、前記当接小円と大円の谷底側
円弧を重畳せしめ弧状曲線を形成する方法であって、該
方法による弧状曲線に形成されたねじ谷底を有する高張
力ボルトは応力集中度および塑性歪量が非常に小さく、
耐遅れ破壊特性が優れている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ボルトの如く構造物を接合する最重要な構成部材は、機
械的な強度はもとより、その品質の信頼性の高さや、経
年変化に対する抵抗力の高いことに加えて、作業性に優
れ、生産性が良く価格が安いことが市場において広く採
用される条件になることは云うまでもなく、Ａ発明がそ
の優れた特質に関らず市場において実用化されないのは
、前記条件のうちの幾つかを満足しないためであると推
定される。

本発明者らは、土木、建築分野における高張力ボルト、
特にＦＩ　ＩＴ以上のものについて前記応力集中の少な
い新規な形状について研究を行なった結果、新しいフラ
ンク角度やねじ山を不等間隔ピッチに螺刻するようなボ
ルトは信頼性を確認し、生産性を確かめるには膨大な実
験が必要で、経済的に著しく困難であり、市場に供給す
るには長期間を要することを知りＢ発明を開発したが、
さらに研究を行ない、設備費および加工費の面でＢ発明
に匹敵する高張力ボルトとするためには、ねじ谷底の弧
状曲線は目的を逸脱しない限りにおいて常にシンプルで
、加工が容易な曲線であることが望ましい。

本発明の目的は、機械的な強度および品質の信頼性が高
く、経年変化に対する抵抗力の高いことに加えて、作業
性と共に生産性に優れ、かつ加工が容易で価格が安い耐
遅れ破壊特性の優れた高張力ボルトを提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段１ 本発明は前記課題を解決し、目的を達成するもので、そ
の要旨は、成分が低・中炭素鋼であって、わじ山のフラ
ンク角度が６０°で、かつ等間隔ピッチに刻設され、さ
らに、谷底が下記条件および算式に規定される楕円弧当
接法によって構成される弧状曲線に形成されている耐遅
れ破壊特性の優れた高張力ボルトである。

前記楕円弧当接法は、とがり山の高さをＨとし、相対す
るねじ山のフランク面と谷底との移行点Ｂ、、Ｂ、をと
かり山底辺から下記（１１式に定める高さに設定し、さ
らに下記（２）式に定める楕円であって、かつ前記それ
ぞれの移行点ＢＢ２をとおる軌跡を有するとともに長軸
が前記底辺と平行な楕円の谷底側円弧を谷底弧状曲線と
定める方法。

Ｋ　−Ｈ／２０　　　　・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・　（１）ただしに＝８以上１０以下の任
意数 ０．３０≦ｂ　／　ａ≦０．７０　　　・・・・・・・
・・・・・・・・　（２）ただしａは長軸、ｂは短軸 さらに、成分が耐遅れ破壊特性の優れた低・中炭素鋼を
用いることは好ましい。

［作　用］ 本発明の高張力ボルトは、機械的強度が高く、加工や熱
処理に適した低・中炭素鋼を採用しているので、生産性
が良く、多量生産が可能で適正な価格で市場に供給する
ことが出来る。なお、本発明において低・中炭素鋼とは
、含有炭素量が重量％で０．ｌθ％〜０．４０％までの
ボルト製造に用いられる炭素鋼を云う、すなわち、Ｃが
０．１０％以下では所望の強度を得ることが出来ず、０
．４０％以上では硬度が高くなり過ぎて目的を達成する
ことが出来ないからである。

つぎに、本発明の高張力ボルトはフランク角度が６０”
で、かつ等間隔ピッチに刻設されたねじ山を採用してお
り、ＪＩＳ規格やＩＳＯ規格に規定された一般的なボル
トのフランク角度およびピッチと同一なため、従来のそ
れらのボルトに関する多くの特性研究や実験および実施
についてのデータ援用が可能で、研究経費を低減し、信
頼性に冨む高張力ボルトを経済的な価格で市場に供給す
ることを可能とする。

さらに、谷底が前記条件および算式に規定される楕円弧
当接法によって構成される弧状曲線に形成されているた
め、従来最も問題視されていたねじ谷底における応力集
中が著しく軽減され、ＦＩ　ＩＴを超え特にＦ１５Ｔ１
００用途に対し遅れ破壊の無い高張力ボルトを実現する
ことを可能とする。

つぎに１実施例について、わじ谷底形成に関し前記楕円
弧当接法に従った描図とその作用につき図に従って説明
する。

第１図は、とがり山１ａ、ｌｂの高さをＨとし、相対す
るねじ山２ａ、２ｂのフランク面３ａ、３ｂと谷底４と
の移行点Ｂ、、Ｂ２を下記（１）式に設定される範囲に
おいてとがり山底辺５から１０Ｈ／２０即ち１／２・Ｈ
の高さに設定し、さらに下記（２）式に定める楕円であ
って、かつそれぞれの移行点Ｂ、、Ｂ、をとおる軌跡を
有するとともに長軸ａが底辺５と平行な楕円６の谷底側
円弧６ａを谷底弧状的ｌ１１７と定めたねじ形状断面概
略図である。

Ｋ・Ｈ／２０　　　　・・・・・・・・・・・・・旧・
・・・・　ｆｉｌただしに＝８以上ｌＯ以下の任意数 ０、３０≦ｂ／ａｓ；０．７０　　　・・・・・・・・
・・・・・・・　（２）ただしａは長軸、ｂは短軸 本発明において、前述のように移行点Ｂ３、Ｂ２をとが
り山底辺５から前記［１１式に定める高さに設定する理
由は、本発明の目的を満足する弧状面［７を形成するに
あたり、ねじ抜けを防止する適切なひっかかり率を保持
するためであって、下限の８／２０・Ｈ以下では本発明
の目的を満足する弧状曲線を形成することが出来ず、上
限１０／２０・８以上では適切なひっかかり率を保持す
ることが困難なためである。

また、さらに本発明では前述のとおり谷底弧状曲線を定
めるが、その際に長軸ａと短軸すとの比ｂ　／　ａを０
．３０以上０．７０以下とする理由は、移行点Ｂ、、Ｂ
、をとおる軌跡を有する長軸が底辺５と平行な数多くの
楕円６についてシミュレーションを実施した結果であっ
て、比ｂ　／　ａが０．３０以下あるいは０７０以上で
は応力集中が著しく塑性歪が大きくなり、目的とする適
切な谷底弧状曲線を得ることが出来ないためである。そ
れを第２図の例について説明する。第２図は長軸半径ａ
、短軸半径すの値を第１表のように定めた楕円８〜１１
の谷底側円弧８ａ〜ｌｌａを谷底弧状曲線８ａ＋〜ｆｌ
ａｔとして描いたねじ形状断面概略図である。

第　　１　　表 ただしＨ＝　２．１６５１ｍｍ　　Ｍ　２２前述のよう
にして得られた谷底弧状曲線８ａ＋〜１１ａ＋に従って
形成したねじ谷底が最も応力集中の度合いが低いことに
ついて、第３図〜第１０図により説明する。

第３図〜第１０図は、第２表に示す成分を有する低・中
炭素鋼を素材としてそれぞれのねじ形状に製造したＭ２
２ボルト（日本建築学会・建築工事標準仕様書ＪＡＳＳ
６に準拠、但しピッチＰは２．５ｍｍ　）について、軸
方向に一様の引っ張り荷重をかけ、軸対称有限要素解析
（８節点アイソパラメトリック法）を行なった例を示す
図であって、第３図〜第６図は弾性荷重時の応力の集中
度合を計算したものであり、第７図〜第１Ｏ図はＦ１５
Ｔに相当する高張力ボルトをボルト軸力（３０，７７ｏ
ｎ）で−様に引っ張ったときの塑性歪の大きさを計算し
たものであって、第３図〜第６図はそれぞれ前記谷底弧
状的１＃１８ａ１〜１１ａ＋に対応している。

第２表 第３図〜第６図から明らかなように、ねじ谷底における
応力集中係数はそれぞれ最大値で１．６８〜１．４６で
あって、Ｂ発明に匹敵する成績を期待できることが判る
とともに、Ａ発明の１．９８と比較して遥かに優れてい
ることが明白である。

さらに、前述の例について、塑性歪を対象として第７図
〜第１Ｏ図について比較する。第７図〜第１０図はそれ
ぞれ前記谷底弧状曲線８ａ＋〜１１ａ＋に対応している
。第７図〜第１０図に示すとおり、塑性歪は２４９０μ
〜２１７μであるのに対し、Ａ発明の耐疲労ねじのそれ
は２５００μであり、ＩＳＯメートルねじについては７
３００μであって、比較にならぬほどその差異は大きい
。

従来、遅れ破壊特性の評価は困難であったが、水素脆化
感受性で評価する手段が開発され、この評価法に基づい
て遅れ破壊特性の優れた低・中炭素鋼からなる高強度鋼
が提案されるようになり、たとえば第３表に示す成分を
有する低・中炭素鋼が高張力ボルトに適していることが
知られている。

第 表 従って、本発明においてもこれらの周知の耐遅れ破壊特
性の優れた低・中炭素鋼からなる高強度鋼を高張力ボル
ト素材として利用すれば、さら番こ耐遅れ破壊について
相乗効果が期待出来る。

また、本発明の高張力ボルトについては、軸部からねじ
部に向け、長さがねじピッチの４倍以上の移行部を設け
、さらに移行部とねじ部の境界部はねじ底のアールより
大きな丸みをつけ、またボルト首下丸み部はＪＡＳＳ６
の基準に対し丸み半径を０．５ｎ＋ｍ大きくした０本発
明者らの知見では、これらの改良は、それらの位置が遅
れ破壊の起点番こなる率が著しく低下することから、か
なりの効果力５有牛ると認められる。

［実施例］ つぎに、本発明にかかる高張力ボルト（以下、Ｂポルト
と云う）とＪＡＳＳ６に準拠して製造した高張力ボルト
（以下、Ｃボルトと云う）について、ナツト回転法によ
る破壊に到るまでのボルト軸力付与試験を実施して、耐
破壊特性を比較した結果について説明する。

試験に用いた炭素鋼の成分を第４表に示す。

第４表 ボルト本体は棒材を冷間鍛造にて頭部および軸部を形成
したあと、ねじ部を切削加工し、その後９００℃で水焼
入し、ついで４３０℃で焼戻す手段によって１５０ｋｇ
／ｍｍ”の強度に製造したが、ナツトおよび座金につい
ては説明を省略する。

ボルトの寸法はＭ２２で首下長さが９０ｍｍ、ねじピッ
チは２．５ｍｍである。

なお、Ｂボルトに使用するナツトの下穴径はＣボルトに
使用する通常のものよりも０．８ｍｍ大きく加工した。

第１１図は前記ボルト軸力付与試験の結果を示す図で、
横軸はナツト回転角（度）、縦軸はボルト軸力（Ｔｏｎ
）を示す。

初期トルク１５ｋｇｆ−ｍを付与したのちナツト締めを
行なったが、Ｂボルトは略９００度を越える付近で遊び
ねじ部で破断が生じ、周知のねり山形状を有するＣボル
トは６００度を越える付近で遊びねじ部で破断した。

第１１図から明らかなように、本発明にかかる高張力ボ
ルトは従来の周知高張力ボルトに比しねじ部の耐破壊特
性が著しく改善されている。さらに、第１１図で明白な
ようにＢボルトの最大軸力はＣボルトに比し１０％程度
大きくなっている。

これは、本発明のねじ形状は従来のＪＩＳメートル並目
ねじに比べてボルトの有効断面積がｌＯ％程度大きくな
っていることを示しており、見かけ上は１０％程度さら
に高強度のポルｉ−を使用したのと同じ効果が期待でき
る。

〔発明の効果１ 以上詳細に説明した通り、本発明にかかる高張力ボルト
は、従来の高張力ボルトに比して応力集中度、塑性歪量
が非常に小さく、耐遅れ破壊特性に優れているので、鋼
板接合にあたり使用本数の低減が可能になり、さらに族
ニスピードの向上、施工コストの低減が実現でき、接合
部もコンパクトで済むため、極めて大きな経済効果が期
待出来る。

また、構造的にフランク角度がＪＩＳメートルねしと同
じで、ピッチについてもＪＩＳメートル並目ねじと同じ
ものが採用できるため、作業にあたって違和感が無く、
作業性も良いため作業現場に受は入れられ易いと云う利
点があり、また信頼性についても、摩擦係数値（ｋ＋の
変化が小さいため周知のＪＩＳメートルねじに関する試
験データや実績値の援用が可能で、研究費や生産計画費
、設備費などの大幅な節約ができ、さらに、既に述べた
ように応力集中の低減は耐疲労特性の向上にも非常に効
果があることから、本発明にかかる高張力ボルトは耐疲
労ボルトとしても優れた効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるねじ山及び谷底の形状決定要領
を示す図、 第２図は本発明にかかる高張力ボルトに関するねじ形状
概略断面図、 第３図〜第６図は弾性荷重時の応力集中係数を示す図、 第７図〜第１０図は高張力ボルトに関する塑性歪を示す
図、 第１１図はボルト軸力付与試験の結果を示す図である。 １ａ、■ｂ・・・とがり山、２ａ、２ｂ・・・ねじ山、
３ａ、３ｂ・・・フランク面、４・・・谷底、Ｂ＋、Ｂ
ｔ・・・移行点、５・・・底辺、６・・・楕円、６ａ・
・・谷底側円弧、７・・・谷底弧状曲線、８８〜ｌｌａ
・・・谷底側円弧、８　ａ　＋−１１ａ＋・・・谷底弧
状曲線。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）成分が低・中炭素鋼であって、ねじ山のフランク
   角度が６０゜で、かつ等間隔ピッチに刻設され、さらに
   、谷底が下記条件および算式に規定される楕円弧当接法
   によって構成される弧状曲線に形成されている耐遅れ破
   壊特性の優れた高張力ボルト。 前記楕円弧当接法は、とがり山の高さをＨとし、相対す
   るねじ山のフランク面と谷底との移行点Ｂ＿１、Ｂ＿２
   をとがり山底辺から下記（１）式に定める高さに設定し
   、さらに下記（２）式に定める楕円であって、かつ前記
   それぞれの移行点Ｂ＿１、Ｂ＿２をとおる軌跡を有する
   とともに長軸が前記底辺と平行な楕円の谷底側円弧を谷
   底弧状曲線と定める方法。 Ｋ・Ｈ／２０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
   ・・（１）ただしＫ＝８以上１０以下の任意数 ０．３０≦ｂ／ａ≦０．７０・・・・・・・・・・・・
   ・・・（２）ただしａは長軸、ｂは短軸
2. （２）成分が耐遅れ破壊特性を備えた低・中炭素鋼であ
   る請求項１記載の高張力ボルト。