継 手 が 長 く な る と端 部 ボ ル ト付 近 に 対 す る 応 力 集 中 が 非 常 に 大 き く な る が 、 こ れ に よ っ て 主 す べ り荷 重 が 低 下 す る の で は な い か とす る 「応 力 集 中 原 因 説 」 が あ る 。 確 か に 実 験 に よ れ ば 端 部 ボ ル ト付 近 の 応 力 集 中 は 大 き く 、 端 部 ボ ル トの 軸 力 抜 け の 割 合 は 他 の ボ ル トに 比 べ る と 僅 か な が ら大 き い(こ の 現 象 はPIFESMを 用 い た 解 析 に お い て も 確 認 さ れ て い る 。)が 、 こ の 他 に も原 因 が あ る よ う に 思 わ れ る 。 こ の 点 に つ い て は §4・4で 検 討 す る 。
§4・5で は ボ ル ト孔 内 に お け る ボ ル トの 移 動 量 に つ い て 述 べ る 。 こ の 移 動 量 は 今 回 の 継 手 試 験 で は 計 測 さ れ て お らず 、 数 値 解 析 の 結 果 の み で あ る が 、 特 に 移 動 量 の 多 い 端 部 ボ ル トの 動 き に 注 目 し た 。 端 部 ボ ル ト付 近 の 応 力 集 中 を 緩 和 す る た め に 端 部 ボ ル ト孔 を や や 大 き く す る 試 み も あ り(例 え ば 、 文 献62))、 こ れ に 対 す る 一 つ の 参 考 資 料 に な る と 思 わ れ る 。
156
412本 四公団で実施された静的引張試験の概要
本 四 公 団 で 実 施 さ れ た 静 的 引 張 試 験 の 詳 細 は 文 献8)で 報 告 さ れ て い る 。 こ の 試 験 の 主 な 目 的 は 、 本 州 四 国 連 絡 橋 の 児 島 一坂 出 ル ー トの 吊 橋 補 剛 桁 に 使 用 す る 、 今 ま で に 前 例 の な い 大 型 継 手 の 継 手 性 能 の 確 認 で あ る 。 実 物 大 の 供 試 体 を 用 い て お り 、 ま た 多 列 ボ ル ト継 手 で あ る こ と か ら載 荷 装 置 は 大 容 量 の も の が 必 要 で あ っ た 。 こ の た め 、 広 島 大 学 工 学 部 大 型 強 度 試 験 室 に あ る 水 圧 式 大 型 試 験 機(1300tonま で の キ ャ リ ブ レ ー シ ョ ン が 行 な わ れ て お り 、 こ の 間 の 線 形 性 が 確 認 さ れ て い る)が 使 わ れ た 。
写 真4‑2‑1〜4‑2‑5は 当 継 手 試 験 を 見 学 さ せ て 戴 い た 折 に 筆 者 が 撮 影 し た も の で あ る 。 写 真4‑2‑1は 大 型 継 手 供 試 体 が セ ッ トさ れ た 試 験 機 の 外 観 で あ る 。 高 力 ボ ル トは 写 真4‑2 に 示 す よ う な 太 径(M3Q,30mmφ)の も の が 用 い られ た(た だ し 、 一 部 に は 比 較 の た め に
M24を 使 用)。 ボ ル ト軸 力 、 継 手 片 表 面 歪 み お よ び 母 材 一 添 接 板 間 の 相 対 す べ り量 に つ い て 、 写 真4‑2‑3,4‑2‑4に 示 す よ う に 歪 み ゲ ー ジ やPI型 変 位 計 を 用 い て 多 点 計 測 が 行 な わ れ た 。 そ れ ぞ れ の 測 点 数 は 最 大 で 、12点 、86点 お よ び14点 で あ り 、 こ れ ら は 写 真4‑2‑5に 示 す よ う な 装 置 に よ り デ ジ タ ル 量 に 変 換 し 、 記 録 さ れ た 。
轟 認幽 繊.
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麟1轟..
ぶ タハヂゆゆメきぐづゆもパげ まズ
鱒 鱒 ・ 。 、
繍ll鷺難 灘 臓 レ
毒鍵 誉 ㍉ 麟 輪 藩雛 象 』巴'㎜纈
写 真4‑2‑1太 径 多 列 高 力 ボ ル ト摩 擦 接 合 継 手 試 験 開 始 直 前 の 供 試 体 ・装 置 外 観(昭 和57年 、 於 広 島 大 学 、 筆 者 撮 影)
写 真4‑2‑2太 径 多 列 高 力 ボ ル ト摩 擦 接 合 継 手 試 験 に 用 い た 太 径 高 力 ボ ル ト(M30)
》勇,
一 ＼ ︑
写 真4‑2‑3太 径 多 列 高 力 ボ ル ト摩 擦 接 合 継 手 試 験 に 用 い ら れ た PI型 変 位 計 、 ス ト レ イ ン ゲ ー ジ
158
写 真4‑2‑4太 径 多 列 高 力 ボ ル ト摩 擦 接 合 継 手 試 験 終 了 後 の 母 材 一添 接 板 間 相 対 す べ り量 の 測 定
写 真4‑2‑5太 径 多 列 高 力 ボ ル ト摩 擦 接 合 継 手 試 験 の 計 測 機 器
太 径多列 高力 ボル ト摩擦接 合継 手の 静的すべ り試験で は次 に示 す各項 目の影響 が調べ ら
れ た 。 す な わ ち 、
1.ボ ル ト呼 び 径 の 違 い(M24、M30)
1.ボ ル ト列 数 の 違 い(3列 、6列 、12列 、18列) 皿.添 接 板 の 枚 数 の 違 い(1枚 、2枚)
g.仮 締 め か ら 本 締 め ま で の 時 間 の 違 い(1時 間 一 ・ ユh の4項 目 で あ り 、 こ れ ら を 相 関 図 に 示 す と 図4‑2‑1の よ う に な る 。
、24時 間 …24h)
月くノレ ト ロ乎び 行…σ)景多饗監
ボ ル ト列 数 の影 響 (A)
(B> (U)
(G)
IM30 IM30
皿3列
一
II6列一
皿1枚 ← → 皿1枚
Elh … 位1h
… 3 s
; T
(C)↓
IM30 1112列 皿1枚 理1h
4列28文hヰM111
1H皿位
(r>t
』4‑↓
← →
IM30 n6列 皿1枚 口24h
← 一一レ
T (E)↓
IM30 1112列 皿2枚 位1h
τ
仮締 〜 本 締 閻 の 添 接 板 枚 数 の
時間 の 影 響 影 響
図4‑2‑1静 的 す べ り試 験 供 試 体 の 相 関 図(文 献8)よ り)
160
供 試 体 の 相 関 図 の 中 で 、 破 線 で 囲 ん だ 供 試 体(F),(G)を 比 較 す る こ と に よ り ボ ル ト呼 び 径 の 違 い の 影 響 が 分 る 。 二 重 線 で 囲 ん だ 供 試 体(A),(B),(D),(F)で
は ボ ル ト列 数 の 影 響 が 調 べ られ る 。 ま た 、 点 線 で 囲 ん だ 供 試 体(D),(E)で は 添 接 板 の 枚 数 の 違 い 、 さ ら に 太 点 で 囲 ん だ 供 試 体(B),(C)で は 仮 締 め か ら本 締 め ま で の 時 間 の 違 い に よ る 影 響 が そ れ ぞ れ 分 る こ と に な る 。
他 方 、 こ れ ら の 供 試 体 は 、 次 に 示 す 項 目 に っ い て は 同 一 条 件 が 設 定 さ れ た 。
1234
(A)〜(G)の7種 類 の 継 手 に 関 す る デ ー タ ー 覧 表 を 次 頁 に 示 す(表4‑‑1)
の 継 手 は そ れ ぞ れ3体 の 供 試 体 が 作 製 さ れ 、 総 供 試 体 数21に つ い て 静 的 す べ り試 験 が 行 な わ れ た 。
載 荷 方 法 は 単 純 増 加 型 の 引 張 荷 重 に よ る 方 法 と 、途 中 で 除 荷 し 、 さ ら に ま た 加 荷 す る と い っ た 、 繰 返 し荷 重 に よ る 方 法 の2種 類 が 用 い られ た 。 こ れ に よ っ て 、 変 動 応 力 が 加 わ っ た 時 の 継 手 の す べ り特 性 に 与 え る 影 響 が 調 べ られ た 。 除 荷 時 の 荷 重 一 相 対 す べ り 関 係 曲 線 の 勾 配 は 各 ボ ル ト締 め 付 け 位 置 で 値 が 異 な る が 、 継 手 の せ ん 断 剛 性 を 示 す こ と に な る 。 こ れ は 初 期 の 荷 重 段 階 に お け る せ ん 断 剛 性 と 同 じ値 と な る は ず で あ る 。 従 っ て 、 載 荷 装 置 と 供 試 体 の 馴 染 具 合 の 問 題 な ど で 、 初 期 の 荷 重 段 階 に お い て 初 期 せ ん 断 剛 性 が う ま く求 め ら れ な い よ う な 場 合 に は 、 引 張 試 験 に こ の よ う な 除 荷 過 程 を 含 ま せ る と 良 い で あ ろ う 。 ま た 、 繰 返 し荷 重 下 の 継 手 の 荷 重 一 相 対 す べ り 関 係 曲 線 が 囲 む 面 積 は1サ イ ク ル 中 に 継 手 内 部 で 消 費 さ れ る 歪 み エ ネ ル ギ ー を 示 す こ と に な る 。 さ ら に 、 継 手 の 疲 れ 強 さ に 関 し て 、 繰 返 し 荷 重 下 の 微 小 す べ り の 発 生 状 況 に 関 す る 情 報 も 得 られ る こ と か ら繰 返 し荷 重 下 の 継 手 性 能 を 調 べ る の は 重 要 な こ と と 思 わ れ る 。
本 試 験 結 果 は 膨 大 な 量 で あ り 、 こ の 全 て を 紹 介 す る こ と は で き な い が 、 §4・4に お い て 「解 析 結 果 と の 比 較 」 の 形 で 、 代 表 的 な も の を 数 例 紹 介 す る 。
防 錆 材 と し て 無 機 ジ ン ク リ ッ チ ペ イ ン ト を 塗 布 す る 。 こ の 塗 布 厚 は75μ と す る 。
鋼 版 の 材 質 はSM58と す る 。
す べ り 応 力 比Kを0.9と す る 。(K・ σ./σ,;
σ 。:設 計 す べ り 応 力 度 、[す べ り 係 数 を0.4と 仮 定 し た と き の も の]
σ,:鋼 版 の 降 伏 応 力 度)
。7種 類
H①さ⊃ †一 凱 虫 I l
試 験 の 種 類
ボ肝 列 数
門30×3 M30×6 M30×6 M30Y12 M30×12 門30Xl8 M24×18仮 締 め 〜 本 締 め 時 間
lh lh 24h 1h 1h 1h 1h添 接板 枚数
1枚 1枚 1枚 1枚2枚
1枚 1枚継 手 片 寸 法
厚 板
母 材(mm)添 接 板(mm)34 19
65 34
65 34
65 34
65 2×19
65 34
65 34
板 幅(mm) 115 118 118 203 203 287 193
標 点 問 距 離(mm) 320 635 635 1265 1265 1895 1520
設
計
諸
元
公 称 総 断 面A。(cm2) 39.1 ?6.7 76.? 132.0 132.0 186.6 125.5
公 称 純 断 面A。(cm2) 27.5 54.6 54.6 110.0 110.0 164.5 103.4
An/Ag 0,704 0,712 0,712 0,832 0,832 1ii 0,824
設 計 す べ り 荷 重
(ton) 113.6 227.2 227.2 454.4 454.4 681.6 428.5
設 計 締 付 力(ton) 113.6 227.2 227.2 454.4 454.4 681.6 428.5
設 計 す べ り 応 力 度
Q3(kg/cm2) 4130 4160 4160 4130 4130 4140 4140
降 伏 応 力 度
Qv(kg/cm2) x.11 4600 4600 x・11 x.11 4600 4600
Us/σy 1'" 0,905 0,905 1iii 1'" !'ll 1・!1
しり㊦o・幽︾︿国国一閏一〇﹀↓一〇ZO問↓=詞=両↓=O一)
413剛 体一ばねモデルによる数値解析結果の例
高 力 ボ ル ト摩 擦 接 合 継 手 の す べ り挙 動 解 析 用 プ ロ グ ラ ム は 継 手 の 形 状 や 特 性 別 に3種 類 作 成 し て い る 。 す な わ ち 、 単 一 ゲ ー ジ の 継 手 か 、 あ る い は 複 数 ゲ ー ジ の 場 合 で あ っ て も ボ ル トが 格 子 状 に 配 置 さ れ て い て 、 全 て の ゲ ー ジ に お け る す べ り 挙 動 が 同 一 で あ る と 見 倣 す こ と が で き る よ う な 継 手 に 対 し て は 剛 体 一 ば ね モ デ ル(RBSM)に よ る 解 析 が 可 能 で あ る が 、 ボ ル トが 千 鳥 状 に 配 置 さ れ て い る 場 合 に は 、 板 幅 方 向 の 応 力 変 化 も 考 慮 し た 、 パ ラ ボ リ ・ソク ・ア イ ソ パ ラ メ ト リ ・ソク 有 限 要 素 一 せ ん 断 ば ね モ デ ル(PIFESM)を 用 い た 解 析 を す る 必 要 が あ り 、 こ れ に よ っ て プ ロ グ ラ ム は2種 必 要 に な る こ と に な る 。 さ ら に 前 者(RBSM)の 場 合 に は1枚 添 接 板 の 場 合 と2枚 添 接 板 の 場 合 と が あ り 、 こ れ に よ っ て も 別 途 に プ ロ グ ラ ム を 作 成 し た 。
こ れ ら3種 の プ ロ グ ラ ム はFORTRAN言 語 で コ ー デ ィ ン グ さ れ て お り 、 そ れ ぞ れ 、 HTBOLT‑1(1枚 添 接 板:RBSM)、HTBOLT‑2(2枚 添 接 板:RBSM)
、ZIGZAG(PIFESM)と い う よ う な プ ロ グ ラ ム 名 が っ け ら れ て い る 。
ま た 、 こ れ らの プ ロ グ ラ ム に は 各 荷 重 段 階 に お い て 、 変 形 量 、 相 対 す べ り量 、 内 部 応 力 分 布 、 摩 擦 力 分 布 、 限 界 摩 擦 力 、 ボ ル ト軸 力 変 化 な ど の 他 に 、 微 小 す べ りの 発 生 の 有 無 お よ び そ の 場 所 、 さ ら に 微 小 す べ り に よ っ て 、 ボ ル トが ボ ル ト孔 内 壁 に接 触 す る か ど う か に つ い て も 出 力 さ れ る よ う に な っ て い る 。 必 要 に応 じて 、X‑Yプ ロ ッ タ 出 力 も で き る よ う な 機 能 を 持 た せ て い る 。
こ こ で は 、 剛 体 一 ば ね モ デ ル に よ る 解 析 プ ロ グ ラ ム(HTBOLT‑1)を 用 い た 数 値 解 析 例 を 紹 介 す る 。
解 析 対 象 と し て 、 前 章 で 示 し た 供 試 体 番 号D‑2(図4‑3‑1)を 選 ん だ 。
f‑000000000000103mm
L寓 ・ … 蒲 ・34i5
34
1165
60mm
韮 ≡ =:誰 二 二=
F10T・M30
図4‑3‑1D‑2供 試 体 の 形 状
D‑2は ボ ル ト列 数12列 、F!0T‑M22の 太 径 高 力 ボ ル トを 用 い て 締 結 さ れ た 、 一 対 の 添 接 板 を 有 す る 突 合 せ 型 継 手 で あ る
。ApPendix9.に プ ロ グ ラ ム 、IITBOI、T‑
1の 入 力 デ ー タ 並 び を 示 し た 。 ま た 、 供 試 体D‑2の 場 合 の デ ー タ 並 び も 付 記 し た 。 次 に 、 解 析 結 果 の 出 力 例(図4‑3‑2〜 図4‑3‑9)を 示 す 。
図4‑3‑2〜 図4‑3‑4は 各 荷 重 段 階 に お け る 、 内 部 応 力 分 布 、 す べ り 状 況 等 の 出 力 例 で あ り 、 そ れ ぞ れ 、 初 期 状 態 、端 ボ ル トに 微 小 す べ りが 発 生 し た 状 態 お よ び 主 す べ り発 生 直 後 の 状 態 の も の で あ る 。 こ れ らの 出 力 の 読 み 方 を 行 の 右 に っ け た 英 字 に 従 っ て 説 明 す る と 、
a:荷 重 段 階 番 号 、
b:そ の 荷 重 段 階 に お け る 強 制 変 位 、 c:1ゲ ー ジ ラ イ ン 当 た り の 荷 重 値(L/2)、
d:ボ ル ト1本 当 た り の 分 担 荷 重 、 e:全 荷 重 値(L)、
f:収 束 に 要 し た 繰 返 し計 算 回 数 、
9:微 小 す べ りの 発 生 の 有 無 を 知 ら せ る 指 標(0;す べ り が 発 生 して い な い 場 合 、 1;す べ りが 発 生 し た 場 合)、
h:製t糠 融 欝 解 動 して・孔壁1こ接触す るか どうかを示す指標(o;接 触せ
i:添 接 板 の 内 部 応 力 分 布(こ こ で 、 括 弧 の 中 の 数 字 は ユ ニ ・ソ ト の 境 界 番 号 を 示 す も の で あ る)、
j:各 ボ ル ト位 置 に お い て 発 生 し て い る 摩 擦 力 の 分 布 、 k:母 材 の 内 部 応 力 分 布 、
1:添 接 板 の 変 位(単 位 は1/10mm)、
m:母 材 の 変 位(単 位 は1/10mm)、
n:添 接 板 の 相 対 変 位(単 位 は1/ユ00mm)、
o:母 材 一 添 接 板 間 の 相 対 変 位(単 位 は1/100mm)、
P:母 材 の 相 対 変 位(単 位 は1/100mm)、
q:添 接 板 の 板 厚 方 向 の 歪 み(単 位 は1/1000)、
r:母 材 の 板 厚 方 向 の 歪 み(単 位 は1/1000)、
s:添 接 板 の 内 部 応 力 度 分 布(単 位 はkg/cm2)、
t:母 材 の の 内 部 応 力 度 分 布(単 位 はkg/cm2)、
u:す べ り 限 界 せ ん 断 力(単 位 はton)、
V:摩 擦 面 上 の せ ん 断 力(jと 同 じ値 、 単 位 はton)、
w:当 荷 重 段 階 に お け る ボ ル ト軸 力 の 初 期 導 入 軸 力 に 対 す る 百 分 率(単 位%)、
164
で あ る 。
図4‑3‑2は 、 微 小 す べ りが 未 だ ど こ に も 発 生 して い な い 、 弾 性 状 態 の も の で あ る 。 従 っ て 、fの 収 束 に 要 す る 回 数 は0と な っ て い る 。 ボ ル ト位 置 に お け る 摩 擦 力 の 分 布(jま た はv)は 本 例 題 の 場 合 は 対 称 の 分 布 と は な っ て お らず 、 載 荷 端 に 近 い 方 の 分 担 摩 擦 力 が 母 材 の 切 れ て い る 付 近 の 分 担 摩 擦 力 に 比 べ て 若 干 大 き く な っ て い る 。 こ れ は 添 接 板 と母 材 の 断 面 が 違 う(t。 。 ・65mm,2*tSP・68mm)か らで あ り 、 両 者 が 同 じ と き に は 対 称 な 分 布 と な る 。 添 接 板 一 母 材 問 の 相 対 変 位(0行)は 、 未 だ す べ りが 発 生 す る 前 の 弾 性 せ ん 断 変 形 に よ る も の で あ る た め 、 最 大 で も0.0159mm程 度 で あ り 、 非 常 に 小 さ い 。
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図4‑3‑2解 析 結 果 の 出 力 例(初 期 荷 重 段 階 に お け る 継 手 内 部 の 状 況)