【報
告
1
UDC :614
.
841.
41 :691.
ア1日本建築 学会構 遺 系 論 文 報 告集 第 432 号
・
1992 年 2 月Journal
of Struct.
Constr.
Engng,
AIJ,
No,
432,
Feb.
.
199Z耐
火
鋼
用
高 力 ボ
ル
ト
の
高
温
強度 特 性
に
関
す
る
実 験 的
研
究
EXPERIMENTAL
STUDY
OF
HIGH
TEMPERATURE
PROPERTIES
OF
HIGH
STRENGTH
BOLT
FOR
FIRE
RESISTANT
STEEL
作 本
好
文
* ,計 良光 一郎
** ,古村福 次郎
* ** ,安 部 武 雄
* * * *Yoshtfumi
SAKUMOTO
,
Koichiro
KEIRA
,
F
麗舷
ゴ
ケ
oFUR
UMURA
andTakeo
A
VE
This
paper
reports「
on the results of experimental studies of the
high
temperaturepreperties
efthe
high
strengthFR
bolts
for
fire
resistant steel,
andthe
strength ofthe
friction
joints
using theFR
bolts
athigh
temperatures
.
The
resultshave
shownthat
the
tensile
strength ofthe
FR
bolts
athigh
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superior to that of 出e conventionalhigh
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and that thefriction
joints
usingFR
bolts
have
ahigh
maximum strength,
althoughthey
・
produce
some slipping at、
high
temperatures.
K
躍o配s ;
fire
resistance,
high
tensiOnbolt
,
high
temPeratUre,
steel,
jeint
耐 火
,
高 力
ボル ト,
高 温
,
鋼 材
,
継 手
1,
ま えが
き高 力 ボ
ル ト摩 擦
接
合
継
手
の高
温にお け る(
火災
時
,
以
下,
高
温時
とい う〉 強 度 特 性 (
こ こ で は,耐
力 や 引 張 強 さな ど機 械 的 性 質 を総 称
する)
に関
して は,従 来
,滑
り荷 重
11−
3),
クリ
ー
プ
や リ
ラクゼー
シ ョ ン性 状
4}・
5)お よび
高 温 熱 履 歴
を受
けたボル トの再 使 用
6L7)に関
する研 究
が行
わ れて いる が,
滑
り が発 生
し た後
の最 大 耐 力 (
せん断
耐 力
)
に関
しては,
常 温 時
の研 究 例
8)は あ るも
の の高 温
時
の例
は ない。 これは,
建 築 基 準 法
で鋼 材
の火 災 時 許 容
温 度 を 平 均
で350
℃ ,最 高
でも
450
℃と 規 定
し てい る こと から
,
滑
りが発 生
し た後
の高 温 領 域 ま
で研 究
の対 象
とな ら な かっ た こ と に よる と考
え られ る。
1987
年
,
「
建 築 物
の総 合 防 火 設 計 法」
9)が提 案
され た ことに より,
従 来
の許 容 温 度 規 定
によ
らず 火 災 時
の鋼 材
温度
と高
温強 度
特
性
か ら鉄
骨架構
の耐
火性 能
を評 価
する こ とが可能
と なっ た。
ま た,
架 構
に要 求
す る耐
火性 能
が明 確 と
な り,例
えば
,火 災後
の再 使 用 が必 ず
しも
義
務 付
け ら
れな くな っ た。
こ の よ
う
な こ とか ら,
近 年
,従 来
め鋼 材 (
以 下
,一
般
鋼
という)よ
り高 温 時
のO
.
2
% 耐 力 (
以 下
,
耐 力 と
いう )
が高
く,
600
℃ で常 温 規 格 値
の2
/
3
以
上 を有 す
る耐 火 綱
が開 発
・
実 用 化
され】° ),
火 災 時
に鋼 材 温 度
が600
℃以 下
の条 件
で使 用
さ れて いる。本 研 究
は,
こ の耐 火鋼
の継 手 用
に開 発 さ
れ た高 力 ボ
ル ト(
以 下
,
耐
火 ボル トという)
の高 温 強 度
特
性
を,
ボルト素 材
お よび継 手
の高
温引
張 試 験
により実験 的
に検
証
し た もの である]1 )。
耐
火 ボル トが600
℃ とい う 高 温 領 域で の使 用 を前 提
とし て い る ことか ら,
本 研 究
の特 徴
は,滑
り荷 重
と とも
に,
滑
りが生
じ た後
の最 大 耐 力
に着 目
した点
で ある。2
.
ボ
ル ト累 材
の高 温 引 張 試 験
2
.
1
試 験 体
お よび 試験 装
置耐
火 ボ
ル ト は,JSS
皿
09 (構造
用
トル シ ア形高 力
ボ ル ト,
六 角
ナッ ト,
平
座 金
の セッ ト)
に準
拠
し たTC
ボル トで あ る。
使 用 材料
は,
ボル トお よ び ナッ トを 高 温強 度 特 性
に優
れ たBOLTENllON
−FR
と し,
平 座 金
は せ ん断 接 合 状 態
で は最 大 耐 力
に寄 与
し な いと考
え られ る こと
か ら,一
般
材 料
のNSW
20B
とし た。各 材 料
の化 学
成
分,機
械
的
性 質
(
ミル シー
ト値 )
,
熱
処 理条 件
を表
一
1
〜
3
に示
す。
表一
1
耐 火 ボル トの化 学 成分 材 質 イ匕 学 成 分 (% ) CSlMnPSボル ト BOL丁EM10N
−
FRO,
2240.
249o.
7go0.
023o.
OI3 ナッ ト BOσEM10N−
FRo.
z24o.
2490.
了900.
023o.
m3 座 金 NSW20B0.
200.
15o.
goo.
0300.
030 BOLTENIION−
FRに は 高 温3重度 を 高 め る 元 素 を若 干 量 添 加 * 新 日本 製 鐵・
工修 * * 新 日本 製鐵 # 1 東 京工業 大学 教 授・
工博 i**t 東 京工業 大学 助 教 授・
工博Nippon
Steel
Corporation
,
M
.
Eng
.
NipPon
Steel
CorpQration
PTof
.
,
Tokyo
Institute
ofTechnology
,
Dr
.
E
皿g.
Assoc
.
,
Prof
.
.
Tokyo
Institute
ofTechno
置ogy,
Dr
.
Eng
.
表
一
2
耐 火ボル トの
機械
的 性 質 餌 種 板 厚 〔 》 降伏( f耐 力 〆 2) 引 張 強 度 ( f/2) 伸 び(% } 絞 り(%) 90田 弸 丁1刪
一
m φ15.
55111 115や
1965 規 格皿
≧go10D−
120 ≧14 ≧40 表一
3 耐 火ボル トの熱 処 理条 件 熱 処 理 条 件 材 質 焼 入 焼 戻 ボ ル ト BOUEM10N−
FR8 丁0〜
900℃ 水 冷 510〜
5了rC空 冷 ナ ッ ト BO口EN110N−
FR830−
88げC水 冷 600−
680℃ 空 冷 座 金 NSW20B 8丁0−
gorC 油 冷 250−
350℃ 空 冷L
「
1
蠹
GL
PLGL
=
50
,
Pd
=日,
PL
=5
ア.
5,
L
=145
M
=1e,
R
=15Cm
凹) 図一
1
高 温 引 張 試 験 片の形状
,
寸法耐 火
ボル ト(
FIOT
,M
−16
)
用
の棒 鋼
を表
亠3
の条
件
で熱 処
理 し,
図一
1に示
す引張 試 験 片
を採
取 し た。
試
験 装
置は,
東 京
工業 大 学
の 円筒 形 電 気 炉
を備
えた イン ス ト1
ロ ンタイ プ試 験 機 (
荷 重 容 量
:5ton >
であ
る。
炉
の寸 法
は,
内 径
10cm
,
高
さ40
cm で,
最 高 使 用 温 度
は900
℃
である。
2
.
2
試 験 方 法
高 温 引張 試 験
と加 熱 冷 却 後 引 張 試 験 (
熱 履 歴 を 与
えた
後
の引 張 試 験
,
以 下
,
加 熱 後 引 張 試 験
という )
の試 験 条
件 を表
一
4
,
5
に示 す
。
試験 片
は,
原 則 と
して各 温 度
2
体
と
し た。
な お
,
常 温 試 験
は表
一
4
,
5
共 通
であ
るの で,
表
一5
は括 弧 表 示
と し た。
高
温引張 試 験
は,
試 験 片
を毎
分
約
10
℃ の温度 上 昇 速 度
で加 熱
し,1
時
間程
度
一
定
温度
に保 定
し た後 実 施
した。 また,
加 熱 後 引 張 試 験
は,
保 定
後
炉 外
で空 冷
し た試 験 片
を用
いた。試 験 片
の温度
は,
試
験
片中 央 部
の表 裏
2
点
にK
熱 電 対
を取
り付
け,5
秒 間
隔 の打 点 式 高 温 記 録 計
で測 定
し た。
表一
4
耐
火 ボル トの高 温 引 張 試 験 条件 試 験 温 度 (℃ ) 試 験 体 番 号 常温 300400500550600550 フ00BOO −Z 3 ○
Oo
OoOQQoOO000 OQOo ○ ○ 表一
5
耐 火ボル トの加 熱
後
引張試 験条 件 履 歴 温 度 (℃) 試験体 番 号 常 湿 3DO 400500 550500650700800 12 3LO , 〔
Ol
〔0}oOOQoooooOOQ
○ ○ 00一
120
一
隷
[
寺
カウンター
バラン スF
板 バ ネ 1:一
測
−
−
圏
−−
−
−
.
−
ー ー.
.
ー ー 匚 測定褌回
ユ 図一
2
高
温引 張 試 験の加 力お よびひずみ測 定 装 置加力
お よび
ひず
み測定装
置
を図
一2
に示
す。加 力
は, 上下
の引 張
つ かみ治
具
に試
験 片
を装
着
し,
クロ スヘ ッ ド か らの荷 重
を伝 達 す
るこ とで行
っ た。 ひず みの測 定
は,
耐
熱 綱
で でき た4
本
の棒
を介
して ひず
み を加 熱 炉
の 下部
に引
き出
し,
差 動
トラン ス に よ り電 気 的
に検 出
し た。
引 張 速 度
は, ひず
み が2
−
3
%ま で は1mm
/
分, そ の後
は破 断 ま
で5mm
/分 (
いず
れも
クロ スヘ ッ ド速 度 )
と し た。
試 験 時
の ひず
み速 度
は,
クロ ス ヘ ッ ド速 度
1
mm/分
が,
弾 性 域
で約
0
,
26
%/分
,
塑性
域で約
3
%/分
程 度
に相 当
し,
通 常
の高 温 引 張 試 験 方 法
で あ るJIS
G
O567−1978
「
鉄
鋼材料
及
び耐熱合
金
の高
温引
張 試
験
方 法
」
と ほ ぼ対 応
して いる。2.3
試 験 結 果
およ
び考 察
高 温 引 張 試 験
およ
び加 熱 後 引張 試 験
の試 験 結 果
を表
一
6
,7
に,各
温度
の応 カ
ー
ひず
み曲 線 を 図
一
3
,
4
に示
す。
ま
た,耐 力
,引 張 強
さ,弾 性 係 数
の温 度 依 存 性 を
,
常 温
の平 均 値
で規 準 化
し図
一
5
−
7
に示
す(
常 温 値
は高 温 引
張 試 験
,加 熱 後 引 張 試 験 共 通
である の で,
高 温 引 張 試 験
とし て表 示
した)
。120
100
EBD
)鬯
60
4巳20
】
20 10D 00
0
86
4
〔
盲 丶←
望V
遡 R 腫 20 000
.
51
.
囗.
馴.
52
.
02
,
5 歪度 〔%)図
一
3耐 火 ボル トの
高
温時応
カー
ひずみ曲線
}
20
−
50α囗550
’
口60
『C
650℃ ア00℃ 臼00’
C 3.
o
囗O
D
.
51
.
0
1
.
5
2
.
02
.
53』 歪 度 〔% ) 図
一
4
耐 火 ボル トの加 熱 後 応 カー
ひずみ曲 線 12 1.
O n.
8
O.
6 o.
4 o.
Eo 高 温 時 x 加 熱冷却 後 誕e
XXe爻
e
#8
9o
N o 00 0 100
200
300
400
500
EOO 7囗OBOO
90D 温度CC
) 図一
5
耐火ボ ル トの耐 力の温度 依 存 度高 温 時 耐 力
は,
500
℃ ま で比 較 的 緩
や か に低
下 し,
500
°
C
を超
える と急 激
に・
低 下
する。一
方
,
加 熱 後
の耐 力
は,
500
℃ まで常 温
とほぼ等
しく,
500
℃ を超
える熱 履
歴 を受
け る と 急激
に低 下
す る。高 温 時 引 張 強
さ は,
400
℃ まで比較 的 緩
や か に低 下
し,
400
℃ を 超
え る と急 激
に低 下 す
る。一
方
,
加 熱 後
の引張
強
さ は,
500
℃ まで常 温
とほ ぼ等
し く,
500
℃を超
え るT2
1
.
0
o.
8 60 繦 韻 砺 D.
4 D2O 高 温 時 x 加 熱 冷 却後議
冨爻
8
翼
e9
xe
髴 o x ◎ #1
.
2
1
.
0
o
.
日逼
・.
6
0
.
4D
.
? ooO
100
E00
3囗0 4囗0 500 500 700 日00 900 温度 (’
C〕 図一
6
耐火 ボル トの引 張 強さの温度 依 存 性 o 高 温 時 x 加 熟 冷却 後.
× X X × 湊 爻 誕 日V
溝9
o88 OO OO8
09100
200
30
囗4aO
500
600
700
日DO
900
温 度 {’
C,図
一
7
耐火 ボル トの弾 性 係 数の温度 依 存 性 1
.
E1
.
o
o.
巳 D.
日 o.
4 o.
2 ED9 o8 爻8
OBOLTENIION
−
FR xBO じ「ENI10N OON◎
OV ◎ 養 爻 0 10020
囗 300 400 5DD 60070D
eOO BOO 温度 (℃ ) 図一
8
耐火 ボル トと一
般ボル トの耐 力の比較 熱 履 歴 を 受 け る と 急 激に低 下 す る。
高
温時
弾性
係
数 は,
300
℃−
400℃ まで常
温の ほ ぼ90
% で,
400
℃を 超
え る と急 激
に低 下
す る。一
方
,
加 熱
後
の弾 性 係
数は
,各
温度
と も常
温 とほぼ等
しい。
一
般
の高 力
ボル ト(
こ こで は,BOLTEN
nON
,
以 下
,
一
般 ボ
ル トとい う)
と の高
温時
お よび加 熱後
の耐 力
と引
張強
さの比較
を
図一8,
9
に示 す(
常
温の平 均 値
で規 準
一
121
一
可
O 引.
On.
OOト
マ
暫 卜 O.
O O.
oo 畧 O.
O卩
、
P 賓 阡.
.
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.
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■
.
.
.
.
.
.
.
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.
.
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.
「
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鹽
.
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.
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一
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〇
一
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.
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7
.
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一
〇
.
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.
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卩
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,
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.
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ロ
.
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一
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〇
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.
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.
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.
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鹽
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眉 ロ \ 粐o濫
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卜
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1
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2
1.
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.
2 010D
200
3D3400
500 駐00
100 800 900 温 度CC
) 図一
9
耐 火ボル トと一
般ボル トの引 張 強さの比 較化 )
。 な お,一
般
ボルト
の試 験
は本 研 究
で実 施
し た もの であ
る。耐 火
ボル トは,
900
℃前 後
の焼
入 れでマ ル テンサ イ ト組 織 を形 成
,
高 張 力
と してい る〔
一
般
ボル トも
ほ ぼ同様
)
。 し た がっ て,
高
温時
に は焼
入 れ に よ る加
工硬
化 が解 除
し,耐 力
,
引
張 強
さ と も低
下 す る。
しか し なが
ら,
耐 火 ボ
ル トの600
℃ にお け る引 張強
さは48
.
1
kgf
/
mmZ と極
めて高
く,後 述
す る継 手 試 験
で高
い最 大 耐 力 を発 揮
する(
一
般 ボ
ルト
の引 張
強
さ
は600
℃ において29
.
3kgf
/
mm2)
。
な お,
製 造 時
に550
℃前 後
で焼 戻
し,
組 織
を微 細 化 (
ソ ル バイ ト化 )
して いること から
,
550
°
C
以 上
の熱 履 歴
を’
受
け る と さ らに焼 戻
し た状
態 と な り材 質
が変 化
す る が そ の割 合
は小
さい。ま た
,
Al
変 態
点 (
約
750
°
C
) を 超
え る熱 履 歴 を 受 け
ると,一
部
が再 度 焼
入 れ し た状 態 (
フ ェ ライ ト
・
パー
ライ
ト・
マル テ ンサイ
ト混 在 組 織 )
とな り,同様
に材 質
が変 化
する。
これは,
応 カ
ー
ひず
み曲 線 (
図
一
4
:800
℃)
の形 状 (
ラウ
ン ド型
で あ る)
か らも観 察
さ れ る。
,
3.
ボル ト素 材
の高
温 リ ラ ク ゼー
ション試 験
3.1
試 験 体
お よび試 験 装 置
高
温 リ ラク ゼー
シ ョ ン試 験
は,
ボ
ル ト導
入軸 力
の高
温時
の弛 緩
か ら,継 手
の滑
り荷 重
を推 定
する目的
で実 施
し た。
試 験 片
は2
.
(図
一
ユ)
と同
じであ
るが,
検 長 (
伸
び測 定 棒
の取
り付
け位
i
:図
一
2
)
は50
.
8mm
と した。
試
験
装 置
も
2
.
と同
じ で あるが,ク リー
プテ ス トアダ プ ター
に よ り荷 重 を変 位 制 御
し た:Z)。
3
.
2
試 験方 法
試
験条件
を
表
一
8
に示
す。
試 験 片
は,原 則
と し て各
温度
2
体
と し た。試 験 片 を 毎 分 約
10
℃ の温 度 上 昇速 度
で加 熱 し, 所 定 の温度
で1
〜
2
時
間程 度 保 定
し た後
,加 力
した。
試 験 片
に作 用
させ たひず
み レ ベ ルはF10T
,
Ml6
の標 準 ボ
ルト
張 力 (
11
,
7
・ton=
74
.
6kgf
/
mm2)相 当
の3550
μ とし た。
表一
8 耐 火ボル トのリラ クゼー
シ ョ ン試 験 条 件 賦 験 温 虚 (℃} 設 定 歪 常 温3003504004504 了55005z555057560D550700800 3550μ ○ 00 OQ ○ ○ 00Q OQOOO OOOQ ○ ○ OQOQOQOOO 100fiO
0
囗
6
4
(
置 \董
)
囲 R20
oO
60
120
18a
240
300
360
420
時 間 (分) 図一
10 耐 火ボル トの リク ラゼー
ショ ン試 験所 定
の ひず
み レベ ルまで引 張 速 度
lmm
/
分 (
クロ スヘ ッ ド速 度 )
で載 荷
し,
6
時 間
にわた っ て一
定
ひず
み下
で の応 力
の変 化
をX
−
Y
レ コー
ダ
ー
に よ り自動 的
に測 定
し た。
3
.
3
試 験 結 果
と考 察
代 表 的
な試 験
温度
に お け る結
果
を 図一10
に示
す。高
温 時
には,
弾 性 係 数
の低 下
に よ り 試験 開
始 時の応 力度
が低 く
なっ てい る。リ
ラ ク ゼー
ショ ンは,
試験
開
始 後
数 分
間
は特
に顕 著
で あり,
その大 部 分
は お よ そ1
時 間 以 内
に生
じ て い る。 また,
試 験 温 度
が450
℃ を 超 える と試 験
温 度
の増 加
に伴
い,
リラ クゼー
ショ ンは著
し ぐ な る。 こ の こと か ら,
高 力
ボル トの締付 力
に対
す る熱
の影響
が極
めて大
きい こと は 明 ら かで あ る。
な お,
耐 火 ボル トの リ ラ ク ゼー
ショ ン量は, 既往
の一
般
ボル トの試 験 結
果 5矩
比 較
し て,
お よ そ50
〜
70
℃程 度 少
ない。
4
.
継 手
の高 温 引 張 試 験
.
4
.
1
試 験 体
お よ び試 験 装 置
試 験 体
は,
高 温 引 張 試 験 体
と加 熱後 引 張
試験 体
の2
種
類
を作 成
した(図
一
11
,
写 真
一
1
)
。
使 用 鋼 材
は,
耐
火綱
50kgf
/
mm2綱 (
母 材
25
mm厚
,
添 板
13mm
厚
)
で あ る。鋼 材
の機 械 的 性 質 (
ミ ル シー
ト値 〉
を表
一
9
に示
す。
な お,NSFR
490
A
は耐 火 鋼
SM
490
A
の規 格 記 号
で ある。
試 験
体
の形 状
は,
試 験 機
およ び電 気 炉
の形 状
,寸 法
か ら,片
側2
ボ ル ト接 合
,
2
面 摩 擦 型
と し,
滑
り係 数
が ユ.
0
と なっ て も 母材
の降 伏
が生
じない板 厚
とし た。
試 験
体
は,
すべ て同
一
工 場
で同
一
条 件
のも
とで製 作
し,
摩
擦
面
の ミ ル ス ケー
ル を グライ
ンダー
で除
去 し た後
,
赤錆
を一 123一
2215
一
[コ
毎
b
緒命 命
1■
[コ璽
75
65
75
950
315
950
c
= = ]KI
K2
K3
匚 = =圭
圭
茸
= コ 匚 コ 日15
≒
罫
・405
5
405
K1K2K3
■
th
bllee
75 B575
250
315
25
囗KI
K2K3
一
]
上 段 :高温引張試 験 体 下 段 :加 熱 後 引張 試 験 体 の互
争
図一
11
継 手 試 験 体の形 状
,
寸 法 写 真一
1
継 手 試 験 体 表一
9
耐
火鋼
の機械
的性質
常 温 時 高 温 時 (600℃ 〕 鋼 種 板(m厚) 降伏 耐 力 (kgf/2)(引 張 強 度kgf/
2)伸(% )び 降伏 耐 力〔kgf/
2)引 張 強 度(kgf/
2)伸 び(%) 1344
.
553,
92022.
232.
447 NSFR490A2535.
559、
22623.
433.
53 了 表一
10継 手の高温
引
張試験条件
試 験 温 度 (℃) 躑 番 号 常温200250300350400450475500525550575600650700800 , 23
o
○ ○O
O O00000
00000000Q000000
0 0oO一 124一
表
一11
継手の加熱後引張試験条件
履 歴 温 度 (’
C 試 験 体 番 号 常温 10020025030040050055060065070 1 23 4
0000
○Q
○ ○ ○ ○OQOoQOOOOO
⊂ ⊂ 写 真一
2 継 手試 験 装 置 1 1 1 卩 1 卩 [ ト ○ IIl し : ○■
冒
.
II鬮
… 旨 o哢
○ ヨ 11 1 1脚
1 1.
■
1 2 1 旨_
一
一
一
一
」
1
し亨
,
,
,
_
g
D.
G2 0.
G.
1 80000一
一
一
一
一
一
一
一
一
1 r−一
■
冒
一
冒
『
一
『
1 ■ D.
G2 G曲
I l_
一
一
一
一
_
一
曽
,
」
L−一
一
,
幽
_
一
一
一
左 :高 温 引 張 試 験右 :加熱 後 引 張 試 験 図
一
12
継 手 引張 試 験の測 定 装 置生
じ さ せ,
試験 場
に搬 入
し た。高 力
ボル トの締
め付 け
は トル ク法
に よっ た。
な お,
ボル トセ ッ ト10
体
に付
き締
付 力 試 験 を行
い,導 入 軸 力
の検 定 を行
っ た.
導 入 軸 力
の平 均
ca12
.
3
ton
であ
っ た 。試 験 装 置
は,
同 大 学
の150ton
ヴ
ォー
ル ドウィ ン大 型
万能 試 験 機
お よ び付
属の大 型 電 気 炉 (
写真
一
2
)
を 用い た。
炉
の寸 法
は,
内径
30cm
,
高
さ90
c皿 であ る。4
.
2
試 験 方 法
高 温 引 張 試 験
と加 熱 後 引 張 試 験
の試 験
条件
を表
一
10
,
11
に 示 す。
試
験体
は,
原 則
と して各 温 度
2
体
と し た。
写 真