A New Fastener using Half-Moon Shaped Bolts for High-Strength Steel Member Part 2 Application to Beam Flange Joint
by
Hiroyuki TAMAI*, Takahiro KIRIYAMA** and Masaru SHIMAZU*
The authors have presented the half-moon shaped bolts for a fastener of high-strength steel members.
In previous paper, we showed a effectiveness and performance of the bolt joint and mechanical properties of bearing failure through loading test and analysis results. The half-moon shaped bolt has self fastening effect that its diameter become longer when the gap between hole and bolt is generated.
We treated a beam flange joint specimen as an application of the half-moon shaped bearing bolt. Cyclic loading tests were performed on the beam flange joints. This paper showed influence of a self fastening effect on flexural rigidity of the beam joint by use of the half-moon shaped bolts.
Key words: Bearing Bolt, Built-up Member, H-SA700A, High-Strength Steel, Beam Flange Joint.
１ はじめに
建築構 造で 利用 する ため の 普及型 高強 度鋼 が 開 発され，その利用技術に関する研究が著者等を含め て行われている 1,2)．高強度鋼部材の接合では，超 高力摩擦ボルト接合を行っても，かなり多くのボル ト本数を 必要とす ること が 既往の研 究で明ら かと なっている2)．提唱する乾式組立材 1)を普及させる ためには，接合方法をより耐力が高くかつ簡便にす ることが必要と考えられる．
前報その 1 で,著者らは，溶接を行わない場合の 接合方法，特にボルト接合のせん断力伝達に関して，
この問題を解決する新たな接合形式として，複半月 テーパ充填ボルト接合法を提案している3)． この接 合法について，高強度材を使った試作ボルトを作成 して載荷試験を行なって,その有効性を示した.2)
本報その 2 では,この複半月充填ボルト接合を梁 フランジ継手に適用した場合の性能を実験的に評価
する. 特に, 支圧ボルト接合では, 梁継手の剛性確 保が問題となる. 複半月充填ボルトは, スプリング ワッシャーの効果により孔とボルト径の間に隙間が あると自己充填する機能があり, 隙間が解消されて 継手の剛性が確保できる特徴がある. 本報その2で は, 複半月充填ボルト接合をした梁継手試験体を製 作し, 中央集中荷重を受ける単純支持梁の正負交番 繰り返し載荷試験を行って, 継手の剛性を詳細に検 討する.
２ 試験方法
複半月充填ボルト接合梁継手の曲げ剛性を評価す るため中央集中荷重を受ける単純支持梁の載荷実験 を行った.
加力装置の概要を図1に示す.
ピンとローラー支持を取り付けた反力梁上に試験 体を設置し, 試験体中央部にピンとロードセルを介
平成 24 年 12 月 17 日受理
＊ システム科学部門（Division of System Science）
＊＊ 構造工学科（Department of Structural Engineering）
して載荷フレームに固定した油圧ジャッキが取り付 けてある．載荷プログラムは図2に示す中央集中荷 重Pを制御する漸増荷重振幅繰り返し載荷とした.
試験体の形状を図2に試験体の継手部を写真1,図 4に示す．
試験体は, 全長 4500mm の細幅 H型鋼（BH-250
×125×6×9）で中央から500mmの位置にボルト継 手を有している．
ウ ェ ブ 部 は ゲ ー ジ 長 90mm， ピ ッ チ 60mm で
S10TM16摩擦ボルト8本で接合している．試験体は
フラ ン ジ接 合 形式 を 変化 さ せ, フ ラン ジ の接 合 を
ゲージ長60mm，ピッチ 60mm, はしあき距離40mm
とし, 10TM16の複半月充填ボルトを12本, 上下フ ランジ計24本で接合したもの（充填ボルト接合試験 体）と同様の部分を F10TM16 の摩擦ボルトで接合 したもの(摩擦ボルト接合試験体)を各1体,計2体用 意した.
試験体に用いたH型鋼梁の各部の1号試験片によ る3本の引張試験結果の平均値と, 10TM16ボルト の規格素材特性を表1に示す．
複半月充填ボルトの設置状況を図5に示す．
図 1 加力装置図
図 2 加力プログラム(漸増荷重振幅繰り返し載荷)
図 4 継手の詳細とひずみゲージ貼付位置
図 3 試験体
ワッシャーはボルトの締め付け力に より軸方向に弾性変形で縮んでおり, 自己充填力を発揮する.
繰り返し荷重に対してボルトねじとナットには緩 みは生じず，隙間が生じてボルト孔が拡幅されても ワッシャーの自己充填機能により，充填ボルト2が 隙間に入り込むため，せん断方向にボルトの緩みは 生じない．複半月テーパ充填ボルト接合は，リベッ ト接合と同等程度(0.2mm 以内) にギャップは解消 されるため，従来の支圧接合の問題点は解決でき，
かつ，接合耐力が高いので，板厚が厚い場合や,高強 度の 鋼 材に 対 して 効 率の よ い接 合 が期 待 でき る ． テーパ部の付け根は応力集中が起きないようにRが とってあり，テーパ角度はボルト軸方向に 5mm ず れることにより1mm拡幅するように設計している．
計測は, 荷重の計測はジャッキ先端に取り付けた ロードセルから中央集中荷重を, 変位の計測はロー ラー及びピン支持部の鉛直変位 δl,δr及び中央点鉛 直変位δcを高精度変位計で計測した。また,全試験 体について図4 に示す位置に検長5mmの一軸箔ひ ずみゲージを貼付して計 10 点の材軸方向直ひずみ を計測した.
中央たわみ, wは次式により算定した.
2
r
w c δ δ
δ +
= − l (1)
３ 算定方法
この試験体(単純梁)の曲げ剛性が EISで一様でス パン長をlとすれば,中央点における荷重-たわみ関 係は次式で表される.
3 b
48
s
w P
E I
= ⋅
⋅ ⋅ l
(2.a)
両辺をlで割って無次元化すると次式が得られる.
これは継手の剛性が最大な時の無次元化荷重-た わみ関係である.継手にガ タがある場合は,そのガ タに基因する変形が付加する.図 6 のようにボルト
孔径D,ボルト軸径 d,上下フランジ板中央点間距離
を lfとすると,継手位置の折れ曲がり角θは次式で 表せる.
写真 1 試験体の継手部
図 6 継手のガタを考慮した中央点たわみ量 充填ボルト
図 5 充填ボルトの設置状況
表 1 素材試験結果(JIS1 号試験片) σy σu εu
(N/mm2) (N/mm2) (%) 6mm plate 350 443 0.213 9mm plate 305 443 0.201 Bolt 900 1100 0.14
2
48
b
s
w P
E I
= ⋅
⋅ ⋅ l
l
(2.b)
2 ( )
f
θ = ⋅ D d− l
(3)
(a) 全履歴 (b) 45kN 振幅（1 サイクル目）
(c) 60kN 振幅(1 サイクル目)
(d) 60KN(2 サイクル目)
図 7 無次元化荷重-たわみ関係(充填ボルト接合試験体)
(a) 全履歴
(b) 45kN 振幅（1 サイクル目）
(c) 60kN 振幅(1 サイクル目)
(d) 60KN(2 サイクル目)
中央たわみwは,継手の折れ曲がりによる変形wrと曲 げ変形wbの和として次式で与えられる.
ここに,
l はスパン長,l
L,l
Rは,継手中心から右及び左の支点 までの距離である.よって継手のガタを考慮した無次 元化荷重-変位関係は次式となる.
ただし,複合はPの正負と同順である.
４ 実験結果とその考察
図 7 には,充填ボルト試験体について,単位変計角荷 重で無次元化した荷重P･l 2/48･E･Isとスパン長で無次
元化した中央たわみw/lの関係を(a)全履歴,(b)45KN振 幅 の 第 1 サ イ ク ル ,(c)60KN 振 幅 の 第 1 サ イ ク ル,(d)60KN振幅の第2サイクルについて,それぞれ示 す.図8には,同様の関係を摩擦ボルト接合試験体につ いて示す. 尚,図7,8には,(2.b)式,(5)式から求めた継 手の剛性が最大とした算定値((2.b)式)と最小とした算 定値((5)式)を一点鎖線で示している.図9には,図4の 下フランジ位置のひずみε4, ε8, ε9,及びε10について, 降伏 応 力 で無 次 元化 し た フ ラン ジ 部 発生 応 力 P･lc･ H/4･Is･σy とフランジ部ひずみεとの関係を,赤線で充 填ボルト接合試験体,黒線で摩擦ボルト接合試験体で 示し, (a)はε4, (b)はε10, (c)はε8, (d)はε9の各ひずみを それぞれ示す.これらの図より以下のことがわかる.
1) 図 7(b)より充填ボルト接合継手を有する梁の剛性
は,予測した最大と最小の算定剛性の中間の値を とる.
2) 図 7(c),(d)より,大きな荷重の繰り返しによっても
r b
w = w + w
L
r R
w = l ⋅ ⋅ θ l
l
(4.b)2 2
2 ( )
48
L R
f S
w D d P
E I
⋅ ⋅ − ⋅
± =
⋅ ⋅ ⋅
l l l
l l l (5)
(4.a)
(d) ε 9 ひずみ 図 9 下フランジのひずみ履歴(充填ボルト接合及び摩擦ボルト接合試験体) (c) ε 8 ひずみ
(a) ε 4 ひずみ (b) ε 10 ひずみ
イスプレート付加による剛性上昇はない.
4) 図9より,充填ボルト接合継手では,下フランジ部 に生じるひずみは第2,第3ボルトになるに従って 小さくなる.また,載荷実験中には,充填ボルト接 合試験体では急激なすべり変形は生じていない.
これは,支圧により充填ボルトが押し戻される条 件 ( ス リ ッ プ バ ッ ク ) を 考 え る と , 充 填 ボ ル ト の テーパ面の勾配が5mmずれると１mm拡径するこ とから次式が与えられる.
µ
<tan ( )15 =0.0035
(6)
ここにμはテーパ面の摩擦係数である.実計測のテー
パ面摩擦係数は 0.325 の値を持ち(6)式は満足しない
ので,載荷実験中に充填ボルトがスリップバックする
現象は生じないと考えられる.
５ まとめ
複半月充填ボルト接合した梁継手試験体を製作し, 漸増荷重振幅繰り返し載荷試験を行って継手付梁の曲 げ剛性と充填ボルトの自己充填性を検討した.また,継 手付梁の最小･最大剛性算定式を誘導した.得られた知 見は,以下の様に要約できる.
1) 充填ボルト接合継手を有する梁の剛性は継手の最 大と最小剛性の中間の剛性となることからボルト の自己充填機能が発揮されている.
2) 荷重の繰り返しによって充填ボルト接合継手の剛 性に大きな変化は見られない.
謝辞
本研究は広島工業大学「高性能構造システム開発研 究センター」(代表者 高松隆夫教授)のプロジェクト研 究の一環として実施しました.また,平成 24 年度広島 工業大学高松研究室の修士,学部 4 年生諸君には,実験 を補助していただきました.ここに記して謝意を表す る.
参考文献
1) 佐藤篤司，吹田啓一郎，井上一朗：建築構造用高強 度鋼材H-SA700Aを用いた柱梁材を弾性に留める乾 式接合法の開発，日本建築学会構造系論文集，第74 巻，第646号，pp.2355-2363,2009.12.
2) 玉井宏章,島津勝：高強度鋼用の複半月充填ボルト 接合に関する基礎的研究,その1新ボルトの概要と支 圧破壊評価,長崎大学大学院工学研究科研究報告,第 42巻,第79号, pp.36-43,2012.7.
3) 佐藤篤司，吹田啓一郎，多田裕一：支圧を考慮した 高力ボルト接合部の最大耐力評価，日本建築学会構 造系論文集，第76巻，第662号，pp.845-853,2011.4.
4) 安井信行：高力ボルト支圧接合部の降伏耐力，鋼構 造年次論文報告集，第19巻，pp.193-200, 2011.11.
5) 玉井宏章，高松隆夫，尾川勝彦：高強度鋼用の複半 月テーパ充填ボルト接合法に関する基礎的研究，鋼 構造年次論文報告集，第19巻，pp.201-208，2011.11.
6) 日 本 建 築 学 会 ： 鋼 構 造 接 合 部 設 計 指 針 ， 技 報 堂, pp.41-61，2006.
7) American Institute of Steel Construction: Specification for Structural Steel Buildings, 2005.3.
