木ねじ、ボルトおよび釘による木質部材接合の剛性 に関する研究

九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

木ねじ、ボルトおよび釘による木質部材接合の剛性 に関する研究

藤元, 嘉安

https://doi.org/10.11501/3147926

出版情報：Kyushu University, 1998, 博士（農学）, 論文博士 バージョン：

権利関係：

2章 3 節 ボ ル ト 接 合 部 の 2 面 せ ん 断 試 験 に お け る 疲 労 挙 動

木質部材同士のボノレト ・ナ ッ ト に よ る 接 合 は 、 主 に 中 規 模 あ る い は 大 規 模木質構造物における主要な接合方法の一つ で あ る が 、 最 近 では一 般 の 小 規 模 構 造 の 木 造 住 宅 構 法 に も か な り 導 入 さ れ つ つ あ る。例 え ば 、 小 松 68)

あるいは平井 49)の 総 説 の 一 部 に 示 さ れ る よ う に 、 そ の 耐 力 特 性あるいは変 形 特 性 に つ い て 、 こ れ ま で に 数 多 く の 研 究 報 告 が な さ れ て い る。しかしな がら、これらの 研 究 の ほ と ん ど は 静 的 負 荷 試 験 に お け る 接 合 部の強 度 性 能

に 関 す る も の が ほ と ん ど で あ り 、 ク リ ー プ 試 験 や 繰 返 し 負 荷 試 験 に お け る

接合部の変形挙動に関する報告は数少ない。

構 造 物 は 、 そ の 使 用 状 況 下 に お い て は 、 自 重 等 の 継 続 的 な 一 定 負 荷 や 、

風 や 地 震 等 の 繰 返 し 変 動 す る 負 荷 を 受 け て お り 、 安 全 性 の 面 か ら連 続 的 負 荷 あ る い は 繰 返 し 負 荷 に 対 す る 接 合 部 の 疲 労 挙 動 を 把 握 す る こ とは非常に 重要である 。木 質 部 材 ボ ノ レ ト 接 合 部 の 疲 労 に 関 し て は 、 Robert  E  Abendrott185%の 行 っ た 割 れ を 含 む 木 材 の ボ ル ト 縦 つ ぎ 接 合 部 の 疲 労 特 性 に

ついて の 研 究 報 告 等 が あ る も の の 、 系 統 的 な 研 究 例 に 乏 し い のが現 状 であ る内

そこで、本研究 28)で は 、 木 質 部 材 ボ ル ト 接 合 部 の 繰 返 し 負 荷 に 対 す る 変 形 挙 動 を 解 明 す る 目 的 か ら 、 木 材 か ら な る 圧 縮 型 の 2面 せ ん 断 試 験 体 を 用

¥ と く に 、 部 材 の 厚 さ 構 成 比 や 繰 返 し 荷 重 レ ベ ノ レ が 接 合 部 変 形 挙 動 に 及

ぼす影響について検討を行った。

ま ず 、 繰 返 し 負 荷 す る 荷 重 の レ ベ ル を 決 定 す る た め 、 主 材 の 厚 さ 構 成 比 を4段 階 に 変 化 さ せ 静 的 試 験 を 行 い 、 静 的 荷 重 に 対 す る す べ り 挙 動 に つ い て検討したc 繰 返 し 負 荷 試 験 に お い て は 、 一 般 的 に 、 繰 返 し 負 荷 に 対 す る 変形 挙 動 は 、 と く に 疲 労 初 期 に 大 き な 変 動 を 示 す こ と か ら 、 本 研 究 で は 負 荷繰返し数 100固 ま で の 疲 労 初 期 に つ い て 検 討 を 行 っ た。

‑241 ‑

1 実 験 方 法

1.1試験体

試験体は、図 2.3.1 に 示 す よ う に 、 主 材 1枚 と側 材 2枚 を ボ ル ト・ナ ッ トによって接合した 2面 せ ん 断 試 験 体 と し た。供 試 材 と し て は 、 主 材 、 側 材 と も に ボ ル ト 締 付 け が 放 射 方 向 に な る よ う に 木 取 っ た プ レ ー ナ 仕 上 げ の 気乾のスプノレースを用いた。そ の 基 本 的 な 性 質 を 表 2.3.1に 示 す。本 実 験 では、ボ/レト接合部全体の厚さ h。を 10cm とし、主材の厚さ hmを4段 階 (3、4、5及 び 6cm) に 変 化 さ せ る こ と に よ り 、 主 材 の 厚 さ 構 成 比 九n/hoを それぞれ 0.3，0.4、 0.5及 び 0.6に 設 定 し た。い ず れ の 部 材 も 負 荷 方 向 が 繊 維方向 と な る よ う に 組 立 て た。供 試 ボ ル ト と し て は 、 公 称 直 径 12mm、 公 称長さ 125mmの も の を 用 いた。ボノレト穴は直径 12mmの ド リ ル に よ っ て あけ、座金は 40mm角、厚さ 4mmの 鉄 製 も の を 使 用 し た。なお、主材と 側 材 と の 問 の 摩 擦 力 が 試 験 体 の せ ん 断 変 形 挙 動 に 及 ぼ す 影 響 を 除 去 す る た

めに、ボルトの締付けは軽く指で行う Fingertightとした。

1.2静的試験

静 的 試 験 は 、 変 形 速 度 2mm/minの 圧 縮 型 で 行 っ た 。 負 荷 は 荷 重 が 最 大 値を示すまで あ る い は 、 主 材 と 側 材 と の す べ り が 約 20mmに 至 る ま で 行 った。負荷 に 伴 う 主 材 と 側 材 聞 の す べ り 量 は 、 図 2.3.1に 示 す よ う に 、 試 験 体 両 側 面 に 取 付 け た ダ イ ヤ ル ゲ ー ジ に よ り 測 定 し 、 そ れ ら の 平 均 値 を 用 いて評 価 を 行 っ た。

1.3繰返し試験

繰 返 し 試 験 は 、 静 的 試 験 と 同 様 、 試 験 体 に 変 形 速 度 2mm/minで 所 定 の 上限荷重まで負荷 し た 後 、 荷 重 10kgfに な る ま で 荷 重 を 低 減 さ せ る と いう 三角波の負荷サイクノレを繰返すことによって行った。こ の と き の す べ り 量

‑242 ‑

と繰返し数との関係をモデル的に図 2.3.2_{~こ示す。}

繰 返 し 上 限 荷 重 は 、 静 的 試 験 の 荷 重 ー す べ り 量 及 び 岡^IJ性 ー すべ り量の両 関係曲線(図 2.3.3) を も と に し て 、 初 期 段 階 の 最 大 剛 性 値 が 現 れ る 荷 重 に近い 400kgf、 厚 さ 構 成 比が 大 き い 場 合 に お い て 、 ピ ー ク を す ぎ た 後 、 再 び 剛 性 が 大 き く な り は じ め る 荷 重 に 近 い 1200kgf及 び そ の 中 間の 800kgfの 3条件とした。ま た 、 い ず れ の 場 合 も 下 限 荷 重 は 10kgfに 一 定 に し たコえ お、荷重繰返しは 100固 ま で と し た。

ま た 、 繰 返 し 試 験 に お い て は 図 2.3.2に 示 す よ う な 、 負 荷 繰 返 し に 伴い 累積する永久すべり量、 各 負 荷 1サイクノレ内の最大すべ り 量 及 び 上 限 荷 重 時における全すべり量の繰返し負荷 に 伴 う 推 移 に つ い て 検 討 した。

2 静 的 負 荷 に お け る す べ り 挙 動

すべり 挙 動 に 及 ぼ す 主 材 厚 さ 構 成 比 hmlh。 の 影 響 に つ い て 、 静 的 荷 重の 増大に伴うすべり 量 の 推 移の 一 例 を 図 2.3.3の(1)に示す。荷 重 約 1000kgf

ま で の 荷 重 域 に お い て は 、 厚 さ 構 成 比 0.6の 場 合 に す べ り が や や 大 きいも のの、 そ の 他 の 厚 さ 構 成 比 に お い て は ほ ぼ 同 様 の す べ り 挙 動 を 示 した。そ れ以上 の 荷 重 域 に お い て は 厚 さ 構 成 比 に よ り 終 局 耐 力 が 異 な る た め 、 異な るすべり挙動を示した。な お 、 厚 さ 構 成 比 0.5と 0.6は 同 程 度の 終 局 耐 力 を示した。

静 的 負 荷 に 伴 う す べ り 挙 動 に つ い て 詳 細 に 検 討 す る た め に 、 荷 重 ー すべ り曲 線 を す べ り 量 で 微 分 し 、 単 位 す ベ り 量 に 要 す る 荷 重 、 す な わ ち 剛 性 を 求めた。そして 負 荷 過 程 の すべりの進行に伴う岡IJ性 の 推 移 を 示す、いわゆ

る剛性 ー す べ り 曲 線 の 一 例 を 図 2.3.3の(2)に 示 す。

いずれの厚 さ 構 成 比 に お い て も 、 す べ り 量 が 2mm以 内 、 荷 重 400kgf前 後の初期 段 階 に 剛 性 値 が 最 大 と な る l次 ピ ー ク が 存 在 す る こ と が 認 め ら れ た):1次ピークにおける岡^IJ性 は 厚 さ 構 成 比 hmlhoが 大 き い ほ ど 低 い 値 を 示

‑243 ‑

し、l次ピーク に お け る 荷 重 及びすべ り 量 は 厚 さ 構 成 比が増 すほ ど 大 き い 値を示す傾向が認 め られた。

また、厚さ構 成 比 0.3の場合は、 ピーク を 過 ぎた後、 急激に同JI性が低下 し、およそ 1200kgf以 上の荷 重 域 で は 、 低 レ ベ ルの岡JI性のまます べ りが進 行した。こ れ に 対 し 、 厚 さ 構 成 比 0.4以上の場合は、 l次ピー ク 以 降の荷 重域においてもある程度の岡Ij性が残存し、比較的低くてなだらかな 2次ピ ークの存 在 が 認 め ら れ た。1次 ピ ー ク 後 の 荷 重 域 に お け る 岡IJ性 の 残 存の程 度は、 本 実 験 に お け る 条 件の範 囲 内 で は 厚 さ 構 成 比 が 大 き い もの ほ ど大き

くなる傾向を示 し た。

一般的には、 厚 さ 構 成 比

h m l h

。が 0.5の と き に ボ ル ト の 単 位 長 さ 当 り に 負担する荷 重 が 主 材 と 側 材 と で 等 し く な り 、 主 材 と 側 材 聞 の すべ り量は最 小とな るもの と 考 え ら れ る。本 実 験 研 究 に お い て も 、 厚 さ 構 成 比が 0.5ま では同様の傾 向 に あ る ものと思われる。ま た 、 厚 さ 構 成 比 が 0.6の場 合 に は、 仮JI材が薄く、倶IJ材 が 負 担 す る 単 位 長 さ 当 り の 荷 重 が 大 き く な り すべ り 量も大き くなるもと考えられるが、 1次 ピ ー ク 付 近 あ る い は そ れ 以 降の高 荷重域において は 、 次 項 の 試 験 体 の 破 壊 形 態 の 観 察 結 果 か ら 分 か る とおり、

厚さ構成比が 0.6の 場 合 は ボ ノ レ ト の 曲 げ 変 形 が 大 き く 座 金 の 締 付 作 用 が 生 二たた め に 、 部 材 間 の す べ り が 抑 制 さ れ た も の と 考 え ら れ る。な お 、 厚 さ 構成比が極端に大きく1.0に 近 い 場 合 に は 、 倶JI材 の 負 担 す る 荷 重が非 常 に 大きく 、 側 材 に お け る 破 壊 が 大 き く 進 行 す る た め 、 すべ り は 厚 さ 構 成 比 0.5

1こ比べて 大 き く な る も の と 推 察 さ れ る。

3  破 壊 形 態 の 観 察

試験 体 の 破 壊 形 態 を 観 察 す る た め に 試 験 後 に 軟 X線 写 真 撮 影 を 行 っ た^c その一 例 と し て 、 全 厚 に 対 す る 主 材 厚 の 比

h m l h o

、 す な わ ち 厚 さ 構 成 比 0.3

と0.6の場 合 を 図 2.3.4に示す。厚 さ 構 成 比 0.3の 場 合 は 破 壊のほとんどが

‑244 ‑

ボルトによる木材の圧潰であり、ボノレトの変形はほとんどみられなかった^c

J 方、厚さ構成比が 0.6の 場 合 は ボ ル ト の 曲 げ 変 形 が 大 き く な っ て お り それ に 伴 っ て 座 金 上 部 の 木 材 へ の め り こ み が 認 め ら れ た。そう したボル ト の曲 げ 変 形 は 、 厚 さ 構 成 比 が 大 き い ほ ど 顕 著 で あ っ た。こ の よ う に 、 主 材 の厚 さ 構 成 比 が 大 き く な る と ボ ル ト の 曲 げ 変 形 に よ り 座 金 の 締 付 作 用 が 生 じる た め 、 比 較 的 高 い 荷 重 域 に お い て剛 性が 残 存 す る 挙 動 が 現 れ た も の と 考えられるc

4  す べ り 挙 動 に 対 す る 座 金 の 締 付 け 作 用

さらに、前項で明らかにしたボノレトの曲げ変形による座金の締付け作用 が接 合 部 の す べ り 挙 動 に 及 ぼ す 影 響 に つ い て 詳 細 に 検 討 す る た め 、 比 較 試 験(1)として図 2.3.5に 示 す よ う な 側 材 の 上 部 を 取 除 い た 試 験 体 を 作 製 し 、 同様な実験を行った。供 試 材 に は 同 じ く 気 乾 の ス プ ル ー ス を 用 い た が 、 そ の材質は表 2.3.2に 示 す よ う に 静 的 及 び 繰 返 し 試 験 に 供 試 し た も の よ り も 比重は小さく、年輪 幅 が 大 き い も の で あ っ た。そ の た め 、 こ の 比 較 実 験 に おいて 接 合 部 の す べ り 量 は 相 対 的 に 大 き く 、 や や 劣 る 強 度 性 能 を 示 し た。 第2章3節 の 2項 に お い て 掲 げ た 図 2.3.3の 場 合 と 同 様 に 、 荷 重 ー すべ り曲 線 及 び 剛 性 ー す べ り 曲 線 を 、 そ れ ぞ れ 図 2.3.6(1)ならびに(2)に示す。 とく に岡JI性 ー すべ り 曲 線 に お い て 、 厚 さ 構 成 比 0.4以上の場合に静的負荷

こおいてみられたような高荷重レベルでの 2次 ピ ー ク は 認 め ら れ ず 、 厚 構成比 0.3の場合と同様のすべり挙動を示した。こ の こ と か ら 、 こ の 節の

第2項 で 明 ら か に し た 荷 重 の 増 大 に つ れ て 発 生 す る 座 金 締 付 け 作 用 が 、 2 次ピークの発現に大きく関与していることが確認された。

さらに、比較試験(2)として、図 2.3.7に 示 す よ う な側 材の ボ ル ト 穴 上 端 から 1cmを 残 し た 試 験 体 に つ い て も 同 様 の 実 験 を 行 っ た。そ の 結 果 、 図 2.3 .8に 示 す よ う に 厚 さ 構 成 比 が 0.5、0.6の 場 合 に は 1次ピーク後の岡JI性の

‑245 ‑

存 続 部 分 が 認 め ら れ 、 図 2.3.1に 示す 試 験 体 の 場 合 と ほ ぼ 同 様 の 荷 重 ー す ベり曲 線 を 示 し 、 当 然 の こ と で は あ る が 、 側 材 上 部 に 座 金 に よ り 圧 縮 を 受 ける木 材 部 分 が あ る 程 度 存 在 す る 場 合 に ボ ル ト の 曲 げ 変 形 に 起 因 す る 座 金 締 付 け 作 用 が 発 生 す る こ と が 確 認 さ れ た。

5 負 荷 繰 返 し に 伴 う す べ り 量 の 推 移

5. 1永 久 す べ り 量 の 推 移

繰 返 し 負 荷 に 伴 う 永 久 す べ り 量 の 累 積 に 及 ぼ す 荷 重 レ ベ ル の 影 響 に つい て、その一例を図 2.3.9に 示 す。い ず れ の 条 件 に お い て も 、 永 久 すべ り 量 のほとんどが初 回 の 負 荷 に お い て 生 じ 、 そ の 後 の 負 荷 繰 返 し に お い て は 漸

増する傾向を示した。

また、 負 荷 繰 返し 数 の 対 数 と 永 久 す べ り 量 と は直 線 相 関が あ る こ と が 認 められ た た め 、 次 の よ う な 直 線 回 帰 式 を 求 め た。

5N = 51 

+ α

^logN  (2.3.1) 

ここで、 N は負荷繰返し数、

S N

は 負 荷 繰 返 し N 回 の 時 の 永 久 す べ り 量 、 係数 51は初 回 の 負 荷 に お け る 永 久 す べ り 量 に 相 当 す る 値 、 係 数 αは 永久 すべり 量 の 負 荷 繰 返 し に 伴 う 増 加 割 合 の 程 度 を 示 す 指 標 で あ る。結 果 を 表 233に示すが、 51及 び αと も に 繰 返 し 荷 重 が 大 き な も の ほ ど 増 大 す る 傾 向が認められた。

繰返し荷重が 400kgfの 場 合 、 同 じレベノレの静的 負 荷 で 岡JI性が 高 か っ た 厚さ構成比 0.3において、 SIが 小 さ な 値 を 示 し た。ま た 、 繰 返 し 荷 重 800 及び 1200kgfの 場 合 、 厚 さ 構 成 比 0.3は l次 ピ ー ク を 過 ぎ 、 岡JI性の 低 減 が 生じているため他 に 比 べ て 大 き な 51の 値 を 示 した。

αについては、 荷 重 が 400kgfの と き は 厚 さ 構 成 比 に よ る 差 は あ ま り 認 められないが 、 荷 重 が 800、1200kgfの 場 合 に は 、 厚 さ 構 成 比 0.6のもの は 他の厚さ構成比 の も の に 比べ 大 き な値 を 示 し、繰返し負荷に伴う永久すノく

‑246 ‑

りの累 積 が 進 行 し や す い 傾 向 が 認 め ら れ た。 主材 が 厚く、 荷 重 レ ベ ルが比 較的高い場合には、 繰 返 し 負 荷 に 伴 う ボ ル トの曲 げ 変 形 の 累 積 が 、 部 材 間 の永久すべ り の 進 展 に 寄 与 し て い る も の と 考 え ら れ る。

5. 2最 大 す べ り 量 の 推 移

負荷 lサイクノレ内 に お け る 最 大 すべ り 量 の 繰 返 し 負 荷 に 伴 う 変 化 を 図 2.3.10に示す。なお 、 負 荷 l回 目 及 び 2回 目 の サ イ ク ル 内 に お け る 最 大す ベり 量を表 2.3.4に示す。い ず れ の 条 件 に お い て も 2回 目 の 負 荷 サ イ ク ル 内にお け る 最 大 す べ り 量 は l回 目 に 比 べ 著 し く 減 少 し 、 そ れ 以 降 は わ ず か ながら低 減 す る 傾 向 を 示 し た。この l回目と 2回 目 の 最 大 す べ り 量 の 差 は

繰返し荷 重 が 大 き な も の ほ ど 大 き く な る 傾 向 が あ っ た。l回目 の サ イ ク ル 内にお け る 最 大 す べ り 量 は 静 的 試 験 に お け る す べ り 挙 動 に 相 当 し 、 厚 さ 構

成比の違いに よ り 異 な る 値 を 示 したが、2回 目 以 降 の す べ り 量 は 厚 さ 構 成 比による差異 が ほ と ん ど 認 め ら れ な か っ た。負 荷 l回 目 に お け る 最 大 すべ り量 と そ の 際 に 残 留 す る 永 久 す べ り 量 と の 関 係 を 図 2.3.11に 示 す 。 本 実 験

こおける荷 重 範 囲 で は 、 初 回の負 荷 に よ る 永 久 すべ り量は最大すべ り 量 の 大きさにほぼ比 例 し て お り 、 荷 重 レ ベ ル や 厚 さ 構 成 比 に 関 わ ら ず 、 l回目 の最大すべり量のおおよそ 600/0程 度が 永 久 す べ り 量 と し て 残 留 す る こ と が 明らかとなった。こ の 原 因 は 現 時 点 に お い て は 不 明 で あ る が 、 繰 返 し 荷 重 がさ ら に 大 き な 場 合 、 あ る い は 厚 さ 構 成 比 が 極 端 な 値 を と る よ う な 場 合 な ど、 局 部 的 に 大 き な 塑 性 破 壊 が 生 じ る よ う な 条 件 に お い て は 、 初 回 の 負 荷

こよる永久 す べ り 量 は 最 大 す べ り 量 に 対 し よ り 大 き な 割 合 で 残 存 す る ので はないかと考えられる。

5.3全すべり 量 の 推 移

負荷の繰 返 し に 伴 う 全 す べ り 量 の 推 移 の一例を図 2.3.12に示すc 任 意の

‑247 ‑

負荷繰返し数における全すべり量は、負荷 1サイクノレ内の最大すべり量と、

それまでに残留した永久すべり量との和として与えられる。永 久 す べ り 量 は初 回 の 負 荷 に よ り そ の ほ と ん ど が 生 じ、 以 降 は 漸 増 す る 傾 向 を 示 し 、 負 荷サイクル内の最大すべ り 量 は 初 回 に 比べ 2回 目 に 著 し く 小 さ く な り 、 そ の後 漸 減 す る 傾 向 を 示 し た こ と か ら 、 負 荷 繰 返 し に 伴 い 累 積 さ れ る 全 す べ り 量 は 初 回 の 負 荷 に お け る 最 大 す ベ り 量 で ほ ぼ 決 定 づ け さ れ る こ と が 認 め られた。し た が っ て 、 繰 返 し 負 荷 に 伴 う ボ ル ト 接 合 部 の す べ り は 1回目の 負 荷 で そ の ほ と ん ど が 生 じ て し ま う こ と 、 そ し て そ の す べ り 量 は 静 的 試 験 での同じ荷重レベルまでに生じたすべり量に相当することから、ボ、ノレト接 合の繰返し負 荷 に 対 す る お お よ そ の す べ り 挙 動 は 同 一 荷 重 レ ベ ル ま で の 静

的荷重試験によって把握することができるものと考えられる。

6 

摘要

ボノレトによる木質部材接合部の負荷による締結部材聞のすべり挙動解 明の基礎的資料を得る目的から、ボノレト接合部の圧縮型 2面 せ ん 断 の 静 的 試 験 な ら び に 各 種 荷 重 レ ベ ル に お け る 繰 返 し 負 荷 試 験 を 行 っ た。本 研 究 で は、とくに、木質部材同士のボノレト接合部における全厚に対する主材の厚

さ 構 成 比 が 、 疲 労 初 期 の す べ り 挙 動 に 及 ぼ す 影 響 に つ い て 検 討 し た。

(1)静的試験においては、いずれの部材厚さ構成比においても荷重 400kgf 前後の比較的低荷重域において、すベり岡JI性が 最 大 と な る 比 較 的 鋭 い l次

ピークの存在が確認された。 さ ら に 、 厚 さ 構 成 比 が 大 き い 場 合 で は 、 負 荷 の増大につれてボノレトの曲げ変形による座金締付け作用に起因する比較的 低くてなだらかな 2次 ピ ー ク の 存 在 が 確 認 さ れ た。(図 2.3.3、図 2.3.6) (2) 繰 返 し 負 荷 試 験 に お い て は 、 初 回 の 負 荷 に お け る 永 久 す べ り は 初 回 の 最 大 す べ り に 応 じ て 残 留 し 、 初 回 の 最 大 す べ り 量 は 静 的 試 験 に お け る す べ

り挙動に相当することが確認された(図 2.3.11)。

‑248 ‑

(3)  2回 目 以 降 の 繰 返 し 負 荷 に お い て は 、 永 久 す べ り は 漸 増 し 、 負 荷 サ イ ク/レ内の最大すべりは、木質部材の圧密化により漸減する傾向を示した(図 23..9、図 2.3.10)。 し た が っ て 、 両 す べ り の 和 で 示 さ れ る 全 す べ り は わ ず かに漸増する傾向が認められた(図 2.3.12)0

(4) 主 材 が 厚 く 比 較 的 大 き な 荷 重 が 繰 返 し 負 荷 さ れ る 場 合 に は 、 ボ ル ト の 曲げ変形の累積により部材聞の永久すべりの蓄積が増大するものと考えら れる(図 2.3.4，図 2.3.9)。

国 249‑

表. 2.3.1  静 的 試 験 及 び 繰 返 し 試 験 に 用 い た 木 材 の 性 質

樹 種 密 度(g/cm3) 含水率(%) 平均 年 輪 幅(111m)

スプルース 0.42  13.3  1.41  (0.03)  (0.3)  (0.41)  ( )は標準偏差

‑250 ‑

表. 2.3.2  比較試験(1)， (2)に 用 い た 木 材 の 性 質

樹 種 密 度(6cm3) 含 水 率(0/0) 平 均 年 輪 幅(mm) スプルース 12.8  2.68 

(0.01)  (0.3)  (0.61)  ( )は標準偏差

国 251‑

表. 2.3.3 式(2，3，1)に お け る 係 数 Sl及 びα

係 数 SI  α 

繰 返 し 荷 重(kgf) 400  8りO 1200  ‑l00  800  1200  0.3  0.031  0.118  0.192  0.007  0.012  0.020 

厚 さ 構 成 比 0.4  0.042  0.085  0.008  0.013 

(hmlho)  0.5  0.042  0.099  0.164  0.006  0.013  0.021  0.6  0.050  0.109  0.164  0.009  0.017  0.030 

ho :試 験 体全厚 hm :主材厚

‑252 ‑

表. 2.3.4  負 荷 l回 目 及 び2回目 のサ イ ク ル 内 に おける最大すべ り量

繰 返し数 2 

繰 返し荷重(kgf) ‑+00  800  1200  400  800  1200  0.3  0.049  0.148  0.246  0.031  0.058  0.075 

厚さ構 成 比 ⁰.4  0.066  0.127  0.023  0.052 

(hmlho)  0.5  0.063  0.139  0.219  0.034  0.053  0.084  0.6  0.079  0.151  0.2l7  0.030  0.055  0.083 

注) 最大すべりの単位 m m

ho :接合部全体厚

hm :主材 厚

‑253 ‑

0 0

的

ho 

(正面図) (側面図)

単 位:mm 図2.3. 1 試 験 体 の 概 略

ho :試 験 体 全 厚 hm :主 材 厚

‑254 ‑

全 す べ り量

永 久 す べ り 量

~ ̲ J‑‑‑

、¥下 限 荷 重 時 て

和

川 町

閉山幽

一

、、

ー ふ

負 荷 繰 返 し 数

一 定 の 上 限 ・ 下 限 荷 重 サ イ ク ル で の 負 荷 繰 返 し に 伴 う す べ り 量 推 移 の 概 略

図2.3. 2 

‑255 ‑

ク ー一ー一一一一一一一一一一 3.0 

2. 5 

。

2.  0 

/ー、 丸+‑

b.O  c・~ 3

cコ

← 

、̲× ̲.

制

~

2. 0  1. 5 

すベり (mm)  ( 1 )荷重ーすベり曲線 O.  5 

2. 0  1. 5 

すべり (mm)  (2 )同]1性ーすベり曲線 10 

。

2 

_。

;‑‑‑.、

ε ι2 

"‑

札+‑ b.O  cよ￡・3

Cコ ー× 

、、‑‑‑

起 一 一

E 線^市_回^日_川

J

す ノ ぐ へ

)l h‑η/﹄//一/l k m

重線付荷曲比

守合

川ノ

れ成

けべ構

3 4 5 6 おす

Jさ

0 0 0 0 試剛 験性 に一厚

的び 静及

円4U

qd   nノι図

‑256 ‑

厚さ構成比:0.3 

厚さ構成比:0.6 

図2.3.4 静 的 試 験 後 の ボ ル ト 接 合 部 の 軟 X線 写 真 厚さ構成比:全厚に対する主材厚の比

‑257 ‑

︒ ︒ 門

ダ イ ヤ ル ゲ ー ジ

om N 

Ln r、

o 

LO 

(正面図) (側面図)

単 位:mm

図^2.3. 5  比 較 試 験 (1)に用いた試験体の概略

‑258 ‑

3.0 

2.5  2.0 

1. 5  1.0  O. 5 

;‑‑、、 札+‑

b.D 

~ ('") 

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厚さ構成比 (hm/ho) 

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1 2各荷重レベルにおける繰返し負荷 に伴う全すべり量の推移

厚さ構成比 (hm/ho)  O. 5 

図23 

‑265 ‑

2 章 4 節 面 圧 試 験 に よる 疲 労 限 度 の 推 定

木 材 の 疲 労 を 評 価 す る 方 法 と し て 繰 返 し 負 荷 に 対 す る ひ ず み に 基 づ く エ ネ/レギ損失と応力との関係を用いる場合がある。あ る 一 定 応 力 刻 み で 段 階 的 に 漸 増 す る よ う な 負 荷 を 木 材 に 与 え る と 、 そ の エ ネ ル ギ 損 失 は あ る 応 力 以下までは応力の 2乗 に 比 例 す る が 、 そ れ 以 上 の 範 囲 で は エ ネ ル ギ 損 失 が 過剰になる。こ の エ ネ ル ギ 損 失 が 過 剰 に な る 部 分 は 繰 返 し 負 荷 に よ る 木 材 の損 傷 と 関 連 付 け ら れ る こ と が 奥 山 ら 83)及 び 小 原 ら 62)，63)，64)に よ っ て 認 め ら れている。

そ こ で 、 本 研 究 で は 、 以 上 の よ う な エ ネ ル ギ 損 失 の 応 力 依 存 性 を 適 用 し た 木 質 部 材 ボ ル ト 接 合 部 の 疲 労 評 価 方 法 の 有 用 性 に つ い て 検 討 し た。ボ ル

トから 切 り 出 し た 円 形 断 面 鋼 棒 を 用 い た 木 質 部 材 の 面 圧 試 験 を 行 い 、 接 合 部 の 繰 返 し 負 荷 に 伴 う ひ ず み に 基 づ く エ ネ ル ギ 損 失 と 応 力 と の 関 係 な ら び こめり込み量に基づくエネルギ損失と応力との関係について、材料の厚さ、

樹 種 及 び ボ ル ト 径 が 及 ぼ す 影 響 を 検 討 し た。

1 エ ネ ル ギ 損 失 指 標 Hc/σ 2

一 般 的 に 、 粘 弾 性 材 料 と し て の 木 材 は 繰 返 し 負 荷 を 受 け た と き に ヒ ス テ リシ ス ル ー プ を 生 じ 、 こ の ル ー プ の 面 積 は 負 荷 lサイクノレ当りのエネルギ 損失と考えられている。負荷が充分に小さいときには、全エネノレギ損失は 線 形 粘 弾 性 理 論 に よ っ て 説 明 さ れ 、 こ の 場 合 、 繰 返 し 負 荷 に よ っ て 材 料 に 何ら変形も残さず、全エネノレギ損失は最終的に熱として消費される。一方、

負荷が大きい場合にはエネノレギ損失には材料に極めて小さな損傷を生じさ せるエネルギ項を含むようになる。小原ら 59)は 、 繰 返 し 負 荷 に 対 す る 木 材 の力学的応答に関する一連の研究において、 lサイクノレ当りのエネルギ損 失を応力振幅に応じて、次 式 で 示 さ れ る よ う に 2つの部分に分け、

‑266 ‑

Hc= Ha 十 万b (2.4.1) 

右辺第 1項Haは 線 形 粘 弾 性 に 関 す る も の で あ り 、 第 2項 Hbは 疲 労 寿 命 に 密 接 に 関 与 し て い る こ と を 指 摘 し た。こ こ で 、 横 軸 に 応 力 、 縦 軸 に サ イ ク /レごとのエネノレギ損失 Hcを 応 力 cの2乗 で 除 し た 値 、 本 研 究 に お い て は エネノレギ損失指標(Hc/a 2)と す る 、 を と り 図 示 す る と 、 両 者 の 関 係 は 図 2.4.1

こ示すようになる。あ る 応 力 (a 0)以 下 で は Hc/a 2が 横 軸 に 平 行 な 直 線 とな り 、 こ の 応 力 範 囲 内 で は 、 エ ネ ル ギ 損 失 が 応 力 の 自 乗 に 比 例 す る と い う 線 形 粘 弾 性 論 で 説 明 さ れ る 部 分 Haで あ る と し た。 一方 、 そ れ (a 0)以 上 の 応 力 で は 応 力 の 増 大 に つ れ て Hc/a 2が 増 大 し 、 こ の 範 囲 が 繰 返 し 負 荷 に よ る 損 傷 と 関 連 付 け ら れ る 部 分 Hbで あ り 、 疲 労 寿 命 を 予 測 及 び 木 材 の 疲 労 機 構 の 説 明 に 有 用 な 指 標 と な り 得 る と し て い る。

本 研 究 で は 、 以 上 の よ う な エ ネ ノ レ ギ 損 失 の 応 力 依 存 性 を 木 質 部 材 ボ ル ト 接 合 部 の 疲 労 特 性 評 価 方 法 に 適 用 す る た め 、 ボ ル ト か ら 切 り 出 し た 円 形 断 面 鋼 棒 を 用 い た 木 質 部 材 の 面 圧 試 験 を 行 い 、 接 合 部 の 繰 返 し 負 荷 に 伴 う ひ ず み に 基 づ く エ ネ ル ギ 損 失 と 応 力 と の 関 係 な ら び に め り 込 み 量 に 基 づ く エ ネ ル ギ 損 失 と 応 力 と の 関 係 か ら の に 相 当 す る 応 力 を 求 め 検 討 を 行 っ た。

2 実 験 方 法

2. 1試験体

供試材としては 表 2.4.1の 中 に 示 す 主 に 気 乾 の へ ム ロ ッ ク を 用 い 、 負 荷 方 向 は 繊 維 走 向 に 平 行 に な る よ う に し た。図 2.4.2な ら び に 図 2.4.3に示 すように、ボ、ルトの頭部とねじ部分を切断した円形断面銅棒(以下ボノレト

とする) が 試 験 体 ボ ノ レ ト 穴 に 挿 入 さ れ た 状 態 で 面 圧 試 験 ( 図 2.4.3) を 行 つために、 あ ら か じ め 試 験 体 に 直 径 12mmの 穴 を あ け 、 そ の 穴 径 の 中 心 を 通 る 位 置 で 切 断 す る こ と に よ り 半 円 形 の 溝 を 設 け た。溝 の 位 置 及 び 試 験 体

‑267 ‑

寸法は、縁距離、端距離が木構造計算規準75)で 定 め ら れ た 寸 法 を 満 た す よ う設定した。試 験 体 の 寸 法 は 長 さ 、 幅 方 向 に そ れ ぞ れ 8.5cm、10.0cmとし、

厚さ方向は 3.0、4.0、5.0及 び 6.0cmの 4段 階 に 変 化 さ せ た。ボ ル ト は 直 径 8mm、10mm及 び 12mmの も の を 用 い た。

ま た 、 負 荷 時 の 試 験 体 の 圧 縮 ひ ず み 分 布 の 測 定 を 行 う た め に ひ ず み ゲ ー ジを試験体に貼 付 し た。 ひ ず み ゲ ー ジ の貼 付 位 置 を 図 2.4.2に 示 す。ひ ず み分布の測 定 を 目 的 と し た 試 験 体 に は 、 ③ の 位 置 に 5連 の ひ ず み ゲージを

貼付した。ひ ず み 分 布 測 定 後 の 試 験 に お い て は 、 図 中 の ① 、 ② 及 び ③ の 3 箇 所 の み に シ ン グ ル の ひ ず み ゲ ー ジ を 貼 付 し た 。 さ ら に 樹 種 に よ る 差 異 を 検討するため気乾のスギ及びスフノレースを供試し、その厚さ 4.0cm、 ボ ル ト直径 1.0cmと し て 同 様 の 試 験 を 行 っ た。上記 の 供 試 材 料 の 基 本 的 な 性 質 を表 2.4.1に示す。

2. 2静的試験

負 荷 に よ り 試 験 体 に 生 じ る ひ ず み 分 布 を 測 定 す る た め に 静 的 面 圧 試 験 を 行った。その概略を図 2.4.3に 示 す 。 静 的 試 験 は 変 形 速 度 1mm/minで行い、

荷重が最大値を示すまで あ る い は 試 験 体 木 材 部 下 端 面 が 試 験 機 の テ ー ブ ルに接 触 す る ま で 負 荷 を 続 け た。ひ ず み の 計 測 に は 高 速 多 点 式 ひ ず み 測 定 器 を 用 い た 。 負 荷 に 伴 う ボ ル ト の 木 材 へ の め り 込 み 量 は 試 験 体 両 側 面 に 取 付けたダイヤノレゲージ式変位変換器により測定し、それらの平均値をめり 込み量とした。

2. 3 繰 返 し 荷 重 漸 増 試 験

繰 返 し 荷 重 漸 増 面圧 試 験は 上 記 の 静 的 試 験 と 同 様 、 変 形 速 度 lmm/min で行った。それぞれの試験体について、 lMPa刻 み で 段 階 的 に 漸 増 す る よ

‑268 ‑

う な 繰 返 し 荷 重 を 与 え 、 最 終 的 に 荷 重 が 最 大 値 を 示 す ま で 、 あ る い は 試 験 体 木 材 部 下 端 面 が 試 験 機 の テ ー ブ ル に 接 触 す る ま で 負 荷 を 段 階 的 に 繰 返 し た=ひ ず み 及 び め り 込 み 量 の 測 定 は 静 的 試 験 と 同 様 の 方 法 で 行 っ た。

各サイクルにおけるエネノレギ損失 Hcは 、 応 力 一 ひ ず み ( 図 2.4.6)及び 応 力一めり込み量(図 2.4.10)の 各 ダ イ ア グ ラ ム か ら 負 荷 繰 返 し 毎 の ヒ ス テ リ シスループの 面 積 を 算 出 す る こ と に よ り 求 め た。な お 、 こ の 実 験 に お い て は、荷重をボルトによる圧縮投影面積で除したもの、すなわち、荷重/(ボ /

レ 卜直径×試験体厚さ)を応力として規定した。

2.4 疲労試験

エ ネ ル ギ 損 失 と 疲 労 特 性 と の 関 係 を 明 ら か に す る 目 的 か ら 、 へ ム ロ ッ ク (表 2.4.1)の 試 験 体 ( 厚 さ 20m m) と直径 10mmの ボ ル ト を 使 っ て 面 圧 疲 労試験を行った。疲 労 試 験 の 概 略 図 を 図 2.4.4に示す。疲 労 試 験 は 荷 重一 定の繰返し負荷を片振りで 2

x 

10コサイクルまで与えた。負 荷 波 形 と し て は繰返し荷重漸増面圧試験の結果を参考にして上限応力が 25、30、32.5、35 及び40MPa、 下 限 応 力 が い ず れ も 5lvfPaと な る よ う な 周 波 数 2Hzの正弦波

を用いた。

3  負 荷 に 伴 う ひ ず み の 分 布

静的面圧試験 に お い て 試 験 体に 発 生 す る ひ ず み の 分 布 の一例と して 、 厚 さ60mmの 試験 体 ( へム ロ ッ ク 、 ボ ル ト 直 径 10mm)に お け る 負 荷 応 力 5MPa、15MPa及 び 25MPaの 場 合 を 図 2.4.5に 示 し て い る が 、 い ず れ の 厚 さ の試験体(図省 略 ) に おい て も 、 こ の 厚 さ 60mmの 場 合 と 同 様 に 、 負 荷 に より応力が最も集中するの は ボ ル ト 接 触 面 に 近 い 所 で あ り 、 そ の他の 部 分 ではかなり小さなひずみの発生しか確認できなかった。こ の こ と か ら 、 エ

‑269 ‑

ス ル ギ 損 失 を 算 出 す る た め の ひ ず み の デ ー タ は 、 ひ ず み 検 出 に お い て 最も 感 度 が 良 い ボ ル ト 接 触 面 に で き る だ け 近 い 箇 所 の も の を 採 用 す る こ と と し

主，

また、 ひ ず み 分 布 測 定 結 果 か ら み て 、 負 ィ 苛 時 の 試 験 体 自 身 の 圧 縮 変 形 量 はボル ト の め り 込 み 量 に 比 べ 極 め て 小 さ い こ と が 明 確 に な っ た の で 、 負 荷 に 伴 う め り 込 み 量 は 試 験 体 両 側 面 に 取 付 け た ダ イ ヤ ル ゲ ー ジ に よ っ て 計 測

て さ し っ か え な い も の と 判 断 し た。

4  応 力 一 ひ ず み ダ イ ア グ ラ ム に 基 づ く エ ネ ル ギ 損 失

繰 返 し 荷 重 漸 増 試 験 に お け る 応 力 一 ひ ず み 曲 線 の一例 と し て 、 試 験 体 幅 40mmの場 合 を 図 2.4.6に 示 す。図 中 の 各 ひ ず み 測 点 は 図 2.4.2に示す①、

②及 び ③ と そ れ ぞ れ 対 応 し て い る。い ず れ の 厚 さ の 試 験 体 に お い て も 測 点

①及 び ② に 関 し て は 繰 返 し 負 荷 に 伴 う 永 久 ひ ず み が ほ と ん ど 認 め ら れ な い が、ボノレト穴に最も近い測定位置③については繰返しの途中か ら 明 確 に 現

れている。

ここで、ボノレト接触面付近の Hc/U2の 挙 動 に つ い て 詳 し く 追 究 す る た め こ

、 40mm厚 の 試 験 体 ( へ ム ロ ッ ク 、 ボ ル ト 直 径 10mm)の ボ ル ト 穴 近 傍 の視JI点 に 相 当 す る 位 置 に 5連 ゲ ー ジ を 使 用 し た と き の 応 力 と Hc/a 2との関 係の典型的な例を図 2.4.7 ~こ示す。 凡例の測点③-1 はボルト接触面からの 距 離 が 最 も 短 い 点 ( ボ ル ト 接 触 面 か ら の 距 離 4mm)で計測したもので、

損]1点③・2、ーに ‑4及 びろ と 順 に 2mm間 隔 で ボ ル ト 穴 か ら 真 上 へ 向 か つ て 離れた位置となっている。い ず れ の 厚 さ に お い て も Hc/U2の 急 激 な 増 加 が 測点③‑1で は顕著 で あ る が、そ の他の 位 置 で は ほ と ん ど 見 ら れ な い。 こ のこ と か ら ひ ず み の 検 出 を 行 う 位 置 は ボ ル ト 接 触 面 に 近 い ほ ど よ い と 考 え

られ る が 、 逆 に 近 す ぎ る と 多 段 階 荷 重 の 繰 返 し 初 期 の 部 分 で ひ ず み の 測 定

‑270 ‑

(

直の変 動 が 著 し く 大 き く な っ た。こ の 一 因 と し て は 、 繰 返 し 初 期 の 低 応 力 域 で 負 荷 に よ っ て 溝 付 近 の ゲ ー ジ を 貼 付 し た 試 験 体 側 面 が ふ く れ る た め に 生じる 引 張 ひ ず み に よ る 影 響 が 考 え ら れ る。

さ ら に 、 ボ ル ト 直 径 を 変 化 さ せ た 場 合 の 応 力 と Hc/U2と の 関 係 の 典 型 的 な例を、図 2.4.8に 示 すo Hc/ a 2の 急 激 な 増 加 が 認 め ら れ る と き の 応 力 の 値 は 、 試 験 体 厚 さ や ボ ル ト 直 径 が 変 化 し で も ほ ぼ 一 定 で あ り 、 へ ム ロ ッ ク の場合 35恥1Pa付 近 で 確 認 さ れ た。ま た 、 図 2.4.9に 示 す よ う に 、 そ の 値 は おおよそスギで 25MPa、へムロ ックで 35MPa、 ス プ ル ー ス で 45MPaであ った。応 力 増 大 に 伴 う 上 昇 過 程 の 特 徴 と し て 、 ス ギ は Hc/U2が 徐 々 に 急 上 昇 に 転 じ 、 ヘ ム ロ ッ ク は い っ た ん 増 加 し は じ め る と 一 気 に 急 激 な 上 昇 が 生 じた=このように、 Hc/G2の 増 加 が 起 こ る 応 力 域 が 高 い も の ほ ど Hc/U2の 上昇傾向が急激であった。他 の 樹 種 に 見 ら れ る よ う な 大 き な Hc/U2が ス プ /レー ス で は 見 ら れ な い が 、 こ れ は ス プ ル ー ス の 場 合 Hc/a 2が 上 昇 し は じ め るとへムロックよりも小さいエネノレギ損失で破壊に至ってしまうためであ ると考えられる。

5 応 力 一 め り 込 み 量 に 基 づ く エ ネ ル ギ 損 失

接 合 部 の エ ネ ル ギ 損 失 を ひ ず み に 基 づ い て 求 め る 場 合 、 ひ ず み ゲ ー ジ の 貼 付 位 置 の 局 所 的 な 材 質 の 差 異 等 に よ っ て 感 度 が 変 化 す る と い っ た 問 題 が 生じたことから さらに 計 測 方 法 が 比 較 的 簡 便 で 測 定 値 の 再 現 性 が 良 い めり込み量に基づいてエネノレギ損失を求めた場合の応力と Hc/U2との関係 こ つ い て 検 討 し た 。 な お 、 繰 返 し 荷 重 漸 増 試 験 に お け る 応 力 一 め り 込 み 旦 曲線の典型的な例として試験体厚さ 40mm、ボノレト直径 10mmの 場 合 を 図 2.4.10に示す。

応力と Hc/U2と の 関 係 に つ い て は 、 ひ ず み の 場 合 と 同 様 に 板 厚 ( 図

‑271 ‑

24.11 )やボノレト直径(図 2.4.12) の 差 異 に よ っ て 大 き な 違 い は ほ と ん ど 認 められ な か っ た が 、 樹 種 に よ る 依 存 性 は 確 認 す る こ と が で き た。樹 種 が 異 なる場 合 の め り 込 み 量 に 基 づ く Hc/σ2と 応 力 と の 関 係 を 図 2.4.13に 示 す⁰

1ずれ の 樹 種 に お い て も 初 期 に Hc/σ2が 過 大 な 値 か ら 急 減 す る 領 域 が 現 れ 七、 こ れ は 繰 返 し 初 期 に 起 こ る 試 験 体 の 溝 と ボ ル ト と の 有 効 接 触 面 積 の 拡 大 に よ る も の と 考 え ら れ る 。 そ し て、 応 力 増 大 に 伴 い 中 間の 応 力 領域 に お

いでほぼ 一 定 値 を 継 続 し た 後 、 ス ギ の 場 合 は 約 25MPa、 へ ム ロ ッ ク は 約 30MPaから Hc/U2の 増 加 が 生 じ た。ス プ ル ー ス は 40MPa付 近 か ら Hc/σ2 の増 加 と 滅 少 を 繰 返 し な が ら し だ い に 増 加 方 向 へ と 推 移 し た。そ し て 、 い ずれ の 樹 種 に お い て も 、 さ ら な る 応 力 増 大 に よ り Hc/a 2が 急 上 昇 に 転 じ る 傾 向 を 示 し た 。 し た が っ て 、 各 樹 種 に つ い て 上 に 示 し た 応 力 以 下 の ほ ぼ 一 定 値 を 継 続 す る 応 力 範 囲 に お い て は 、 繰 返 し 負 荷 に よ る め り 込 み 量 の 増 大 が起 こ り に く く 、 一 方 、 そ れ 以 上 の 応 力 に お い て は 繰 返 し 負 荷 に よ り 、 疲 労の進展が著 し く な る も の と 考 え ら れ る。

6  エ ネ ル ギ 損 失 と 疲 労 特 性

こ の よ う に 、 め り 込 み 量 に よ る エ ネ ル ギ 損 失 の 応 力 依 存 性 に つ い て も 樹 種 に よ る 差 異 が 認 め ら れ た こ と か ら 、 ボ ル ト 接 合 部 の 疲 労 を 評 価 す る 方 法 としてめ り 込 み 量 に 基 づ く エ ネ ル ギ 損 失 の 応 力 依 存 性 の 把 握 が 有 効 で あ る

ことが見出された^c そ こ で 、 そ の 確 認 の た め に エ ネ ル ギ 損 失 と 疲 労 特 性 と の関 係 を 追 究 す る 疲 労 試 験 を 行 っ た 結 果 、 Hc/U2の 上 昇 が 見 ら れ る 応 力 域

以上の負荷 レ ベ ル の 場 合 (32.5、35及 び 40MPa) は 繰 返 し 負 荷 開 始 直 後 に 破壊に至ったのに対 し て そ れ 以 下 の 応 力 域 (25及 び 30MPa)の 場 合 は 図2414に 示 す よ う に 、 疲 労 に よ る め り 込 み 量 の 進 展 は わ ず か し か 認 め ら れなかった。このように、 エ ネ ル ギ 損 失 指 標 と 応 力 振 幅 と の 関 係 に お い て

‑272 ‑