JP6038833B2 - 締結構造体及び締結方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、タッピングネジを用いて部材同士を締結する締結構造体及び締結方法に関する。

例えば、平板状の主部材に対して、平板状の副部材を固定するとともに、前記主部材と前記副部材とを一体化する締結構造として、一般的に、主部材と副部材とをともに貫通させたボルトとナットとを螺合して、螺合したボルトとナットとで主部材と副部材を挟持して締結する方法によるものが多用されている。

しかしながら、上述のような締結構造の場合、締結対象部材の両側で締結作業が必要となるため、例えば、特許文献１において開示されるように、副部材側の作業のみで締結できるタッピングネジを用いることがある。

タッピングネジとは、セルフフォーミングネジともいい、主部材に形成した下穴に対して螺入する際に、タッピングネジに備えたネジ山が、下穴にネジ溝を形成しながら螺合することで締結できるネジ部材である。

そして、特許文献１では、タッピングネジの径に対して、下穴に対するタッピングネジの埋め込み長が１〜２．２倍となる締結構造が開示されているが、主部材が平板状である場合、上述のような埋め込み長が確保された締結構造体を得ることはできなかった。

特開２０１０−１９３９１号公報

そこで、この発明は、タッピングネジを用いて、板状の主部材と副部材とを構造的に一体化することができる締結構造体を提供することを目的とする。

この発明は、平板状の主部材に対して、副部材を固定するとともに、前記主部材と前記副部材とを一体化する締結構造体であって、前記主部材の所定箇所に形成した非貫通穴に対して、前記副部材を貫通したタッピングネジを螺入して接合され、前記主部材が前記タッピングネジの径以下の厚みで形成され、前記非貫通穴に対する前記タッピングネジの螺入量に応じた螺合強度に対して、一体化した前記主部材及び前記副部材に対して作用する設定荷重が作用した際に、前記タッピングネジが破断するように前記タッピングネジが配置され、前記タッピングネジの径に対して１／３以上の深さで前記非貫通穴に前記タッピングネジが螺入されたことを特徴とする。

上述の一体化は、タッピングネジによって支圧接合された主部材と副部材とが、一部材として評価できるように接合された状態であることを含む概念である。

上述のタッピングネジは、タッピングネジに備えたネジ山が、下穴にネジ溝を形成しながら螺合することで締結できるネジ部材であり、頭つきのタップネジや、ナットの螺合を許容するタッピングボルトを含むものとする。

この発明により、板状の主部材と副部材とを、構造的に一体化することができる。
詳述すると、前記タッピングネジの径以下の厚みの前記主部材の所定箇所に形成された非貫通穴に対して、前記副部材を貫通したタッピングネジを、前記タッピングネジの径に対して１／３以上の深さで螺入することで、下穴が主部材を貫通することに起因する主部材の強度低下が生じることなく、構造的に一体化すると評価できる締結構造体を実現することができる。

また、前記非貫通穴に対する前記タッピングネジの螺入量に応じた螺合強度に対して、一体化した前記主部材及び前記副部材に対して作用する設定荷重が作用した際に、前記タッピングネジが破断するように前記タッピングネジが配置されているため、複数のタッピングネジを用いた締結構造において、タッピングネジの強度や、前記非貫通穴に対する前記タッピングネジの螺入量に応じた螺合強度に基づいて、タッピングネジの設置間隔を設定するため、確実に一体化することができる締結構造体を構成できる。

またこの発明の態様として、前記主部材の底面に前記非貫通穴を設けるとともに、前記タッピングネジを、前記非貫通穴に対して上向きに螺入することができる。
この発明により、主部材の底面から下向きに突出するように、タッピングネジを螺入するだけで締結構造体を構成できるため、例えば、供用中の高架道路の下面において、補強版を取り付けて補強する場合であっても、底面側からの施工のみで補強構造を構成できるため、通行止め等の交通規制や舗装面を除去する必要がなく、低コストかつ効率的に施工することができる。

この発明によれば、タッピングネジを用いて、板状の主部材と副部材とを構造的に一体化することができる締結構造体を提供することができる。

タッピング締結構造体の断面図。 タッピング締結構造体の分解斜視図。 タッピング締結構造体の説明図。 タッピング締結構造体に対する疲労試験についての説明図。 複数本のタップネジを用いたタッピング締結構造体の説明図。 タッピング締結構造体の拡大図。 タッピング締結構造体の分解斜視図。 タッピング締結構造体の説明図。

この発明の一実施形態を以下図面と共に説明する。
本実施形態のタッピング締結構造体１について、図１及び図５とともに説明する。
なお、図１はタップネジ１０を用いたタッピング締結構造体１の断面図を示し、図２はタッピング締結構造体１の分解斜視図を示し、図３はタッピング締結構造体１の施工順序についての説明図を示している。
また、図４はタッピング締結構造体１に対する疲労試験についての説明図を示し、図５は、複数本のタップネジ１０を配置したタッピング締結構造体１についての説明図を示している。

タッピング締結構造体１は、タップネジ１０によって主部材２と副部材４とを締結した締結構造体であり、タップネジ１０とワッシャ４０とで構成している。
タッピング締結構造体１を構成するタップネジ１０は、ネジ頭部１１と、ネジ軸部２０と、ネジ軸部２０の外周に形成したタップネジ部２１とで構成している。

タップネジ部２１は、主部材２の表面２ａの所定位置にあらかじめ形成された下穴３の内表面にネジ溝を形成しながらタップネジ１０を螺入するためのネジ山である。
なお、下穴３は、主部材２の厚みに比べて３／４程度の深さで形成した非貫通の穴であり、例えば、１２ｍｍ厚の主部材２の場合、下穴３は９ｍｍの深さで形成し、３ｍｍの厚みが残るように下穴３を形成している。詳しくは、下穴３が貫通することによる主部材２の強度低下を考慮して、下穴３は非貫通とし、さらには、螺合状態において主部材２の強度低下に影響しないように所定の厚みを残して下穴３を形成している。

ワッシャ４０は、高力ボルト用座金で構成する平型ワッシャであり、副部材４のボルト穴４ａより径大な外径と、タップネジ１０のネジ軸部２０より径大かつネジ頭部１１より径小な内径を有するリング状である。
なお、上述の説明では、ワッシャ４０とタップネジ１０とを別体で構成しているが、ワッシャ４０をタップネジ１０と一体化していてもよい。

主部材２及び副部材４は、主に鋼板で構成されるほか、主部材２は鋼製箱桁、鋼床版等の鋼構造物であってもよく、副部材４は、ＵＦＣ等どのような素材を用いるものであってもよい。

このように構成したタッピング締結構造体１において、タップネジ１０により副部材４を主部材２に固定するためには、図３（ａ）に示すように、まず、主部材２の表面２ａにおける所定箇所に下穴３をあらかじめ形成しておく。

そして、図３（ｂ）に示すように、主部材２の下穴３と、副部材４のボルト穴４ａが連通するように副部材４を配置し、ワッシャ４０を介して、副部材４のボルト穴４ａを貫通するように主部材２の下穴３にタップネジ１０を螺入して、下穴３に所定の深さのネジ溝を形成しながらタッピング締結構造体１を構成する（図１参照）。

なお、副部材４に設けたボルト穴４ａは、図１に示すように、タップネジ１０におけるタップネジ部２１のネジ山の頂部を通る見かけの外径と略同一に形成することが好ましいが、更には、ボルト穴４ａを見かけの外径より小径に形成することがより好ましい。

このように構成したタッピング締結構造体１では、タップネジ部２１と下穴３とを螺合させた状態において、タップネジ１０に引っ張り力が作用した際には、タップネジ部２１と下穴３との接触面（ネジ溝）が塑性変形してタップネジ１０が主部材２から脱落するより先にネジ軸部２０又はネジ頭部１１が破断するように、主部材２に対するタップネジ１０の取付強度、すなわち下穴３とタップネジ部２１との埋め込み長等に応じた螺合強度を設定している。

このように、平板状の主部材２に対して、平板状の副部材４を固定するとともに、主部材２と副部材４とを一体化するタッピング締結構造体１では、主部材２の所定箇所に形成した下穴３に対して、副部材４を貫通したタップネジ１０のタップネジ部２１を螺入して接合することにより、板状の主部材２と板状の副部材４とを、構造的に一体化することができる。

詳述すると、主部材２の所定箇所に形成した未貫通の下穴３に対して、副部材４のボルト穴４ａを貫通したタップネジ１０のタップネジ部２１を螺入することで、主部材２の強度が低下することなく、構造的に一体化すると評価できる締結構造体を実現することができる。

より具体的には、副部材４に設けたボルト穴４ａを、タップネジ１０におけるタップネジ部２１のネジ山の頂部を通る見かけの外径と略同一、あるいは小径に形成して、下穴３にタップネジ１０を螺合することで、確実な支圧接合を実現し、板状の主部材２と板状の副部材４とを、構造的に一体化することができる。

また、下穴３を、主部材２の厚みの３／４以下の深さで形成するとともに、タップネジ１０のネジ軸部２０の径に対して１／３以上の深さで下穴３にタップネジ１０を螺入することにより、下穴３を形成した主部材２の強度を確保しながら、タップネジ１０と下穴３との埋め込み長を確保できるため、主部材２に対するタップネジ１０の取付強度、すなわち下穴３とタップネジ部２１との螺合強度を確保することができる。したがって、主部材２と副部材４とを構造的に確実に一体化できる締結強度を有する締結構造体を実現することができる。

なお、このように構成したタッピング締結構造体１の締結強度を評価するために行った疲労試験について、図４とともに説明する。
図４（ａ）に示すように、タップネジ１０を螺合した試験体に対して、所定の負荷を繰り返し作用させる引張疲労試験を実施した。試験体は１２ｍｍ厚のＳＭ４９０ＹＢである主部材の中央部分にφ１１．５ｍｍの未貫通の下穴を設け、９ｍｍ厚のＳＳ４００である副部材に設けた同径の貫通孔を介してφ１２ｍｍのタップネジを主部材及び副部材にトルクレンチ等を用いて締め込み、下穴とタップネジとが嵌合するようにしている。引張疲労試験における繰り返し数の上限は１，０００万回とし、周波数は５Ｈｚとした。

当該試験体に対して引張疲労試験を実施した結果、図４（ｂ）に示すように、未貫通の下穴３にタップネジ１０を螺入した主部材２は、概ねＣ等級を上回る疲労強度を確認することができた。
このことから、未貫通の下穴３にタップネジ１０を螺入した主部材２は、十分な強度を有しており、主部材２及び副部材４をタップネジ１０で締結したタッピング締結構造体１は、強固に締結されているため、構造的に一体化されていると評価できることを確認できた。

なお、このように構成するタップネジ１０を複数本用いるタッピング締結構造体１では、タッピング締結構造体１に作用するものとして設定する設計荷重に応じて、ネジ軸部２０の強度、及び主部材２に対するタップネジ１０の取付強度に基づいて設置間隔や配置を設定する。

具体的には、ネジ軸部２０の材質及び断面径、並びに下穴３への埋め込み長に基づいて定まるせん断強度と、安全率とに基づいて限界せん断力を算定し、限界せん断力と設計荷重によるせん断力とに基づいて、図５（ａ）に示すようにピッチｐで配置したり、図５（ｂ）に示すようにピッチｐ及び間隔ｗで配置したりするように、タップネジ１０の設置間隔を設定する。

しかしながら、下穴３は、上述したような理由により主部材２を貫通しないため、下穴３の深さが主部材２の厚みによって制限される。つまり、主部材２に対するタップネジ１０の取り付け強度（螺合強度）に影響する埋め込み長（螺入量）には制限があるため、所定のせん断強度を得るためには、ネジ軸部２０の強度及び断面径を調整することとなる。このようにして、埋め込み長が制限された下穴３に螺合させるタップネジ１０の強度及び断面径を調整しながら、施工効率及び施工や材料コストのバランスをとって設置間隔や配置を設定する。

また、複数本のタップネジ１０を用いる場合であっても、一体化した主部材２及び副部材４に対して作用するとされる設計荷重に対して、下穴３に対するネジ軸部２０の断面径及び埋め込み長に応じた螺合強度及びネジ軸部２０の強度に応じて、タップネジ１０を配置することにより、確実に一体化することができる締結構造体を構成することができる。

続いて、別の実施形態のタッピング締結構造体１００について、図６乃至８とともに説明する。
図６はタッピングボルト１１０を用いたタッピング締結構造体１００の断面図を示し、図７はタッピング締結構造体１００の分解斜視図を示し、図８はタッピング締結構造体１００の施工順序についての説明図を示している。なお、前述の実施例と共通するものについては、説明を省略する。

タッピング締結構造体１００は、タッピングボルト１１０、ワッシャ４０、及び固定ナット１５０とで構成している。
タッピング締結構造体１００を構成するタッピングボルト１１０は、ボルト軸部１２０と、主部材２にボルト軸部１２０を植設するために、ボルト軸部１２０の端部に形成したタッピングネジ部１３０とで構成している。

タッピングネジ部１３０は、主部材２の表面２ａの所定位置にあらかじめ形成された下穴３の内表面にネジ溝を形成しながらタッピングボルト１１０を螺合するためのネジ山である。

ワッシャ４０は、高力ボルト用座金で構成する平型ワッシャであり、副部材４のボルト穴４ａより径大な外径と、タッピングボルト１１０のボルト軸部１２０より径大な内径を有するリング状である。
固定ナット１５０は、ボルト軸部１２０のネジ部１２１と螺合するナットである。

このように構成したタッピング締結構造体１００において、タッピングボルト１１０により副部材４を主部材２に固定するためには、図８（ａ）（ｂ）に示すように、まず、主部材２の表面２ａにおける所定箇所に形成した下穴３に対して、タッピングネジ部１３０を螺合させて、下穴３の内表面にネジ溝を形成しながら、上向きに突出するようにタッピングボルト１１０を植設する。

そして、植設されたタッピングボルト１１０に対して、図８（ｃ）に示すように、ボルト穴４ａを貫通させて副部材４を取付け、ワッシャ４０を装着してから、固定ナット１５０を螺合して、タッピング締結構造体１００を構成する（図６参照）。

なお、副部材４に設けたボルト穴４ａは、図６に示すように、タッピングボルト１１０におけるタッピングネジ部１３０のネジ山の頂部を通る見かけの外径と略同一に形成することが好ましいが、更には、ボルト穴４ａを見かけの外径より小径に形成することがより好ましい。この場合、主部材２の下穴３と副部材４のボルト穴４ａとを合わせて主部材２と副部材４とを重ねてから、タッピングネジ部１３０によって、ボルト穴４ａと下穴３の内表面にネジ溝を形成しながら、タッピングボルト１１０を植設することとなる。

このように構成したタッピング締結構造体１００では、タッピングネジ部１３０と下穴３とを螺合させて主部材２の表面２ａに植設した状態において、タッピングボルト１１０に引っ張り力が作用した際には、タッピングネジ部１３０と下穴３との螺合部分（ネジ溝）が塑性変形してタッピングボルト１１０が主部材２から脱落するより先にボルト軸部１２０が破断するように、主部材２に対するタッピングボルト１１０の取付強度、すなわち下穴３とタッピングネジ部１３０との埋め込み長等に応じた螺合強度を設定している。

なお、このように構成するとともに、複数本のタッピングボルト１１０を用いるタッピング締結構造体１００では、タッピング締結構造体１００に作用するものとして設定する設計荷重に応じて、ボルト軸部１２０の強度、及び主部材２に対するタッピングボルト１１０の取付強度に基づいて設置間隔や配置を設定している。

具体的には、ボルト軸部１２０の材質及び断面径、並びに下穴３への埋め込み長に基づいて定まるせん断強度と、安全率とに基づいて限界せん断力を算定し、限界せん断力と設計荷重によるせん断力とに基づいて、タッピングボルト１１０の設置間隔を設定している。

しかしながら、下穴３は、上述したような理由により主部材２を貫通しないため、下穴３の深さが主部材２の厚みによって制限される。つまり、主部材２に対するタッピングボルト１１０の取り付け強度（螺合強度）に影響する埋め込み長（螺入量）には制限があるため、所定のせん断強度を得るためには、ボルト軸部１２０の断面径を調整することとなる。このようにして、埋め込み長が制限された下穴３に螺合させるボルト軸部１２０の強度及び断面径を調整するとともに、施工効率及び施工や材料コストのバランスをとりながら、設置間隔や配置を設定する。

このように、平板状の主部材２に対して、平板状の副部材４を固定するとともに、主部材２と副部材４とを一体化するタッピング締結構造体１００では、主部材２の所定箇所に形成した下穴３に対して、副部材４を貫通したタッピングボルト１１０のタッピングネジ部１３０を螺入してから固定ナット１５０を螺合することにより、板状の主部材２と板状の副部材４とを、構造的に一体化することができる。

詳述すると、主部材２の所定箇所に形成した未貫通の下穴３に対して、副部材４を貫通したタッピングボルト１１０のタッピングネジ部１３０を螺入することで、主部材２の強度が低下することなく、構造的に一体化すると評価できる締結構造体を実現することができる。

より具体的には、副部材４に設けたボルト穴４ａを、タッピングボルト１１０におけるタッピングネジ部１３０のネジ山の頂部を通る見かけの外径と略同一、あるいは小径に形成して、下穴３に植設したタッピングボルト１１０と固定ナット１５０とを螺合することで、確実な支圧接合を実現し、板状の主部材２と板状の副部材４とを、構造的に一体化することができる。

また、下穴３を、主部材２の厚みの３／４以下の深さで形成するとともに、タッピングネジ部１３０の径に対して１／３以上の深さで下穴３にタッピングボルト１１０を螺入することにより、下穴３を形成した主部材２の強度を確保しながら、タッピングボルト１１０の下穴３に対する埋め込み長を確保できるため、主部材２に対するタッピングボルト１１０の取付強度、すなわち下穴３とタッピングネジ部１３０との螺合強度を確保することができる。したがって、主部材２と副部材４とを構造的に確実に一体化できる締結強度を有する締結構造体を実現することができる。

また、図５において複数本のタップネジ１０を配置したタッピング締結構造体１と同様に、複数本のタッピングボルト１１０を用いる場合であっても、一体化した主部材２及び副部材４に対して作用するとされる設計荷重に対して、下穴３に対するタッピングネジ部１３０の断面径及び埋め込み長に応じた螺合強度及びボルト軸部１２０の強度に応じて、タッピングボルト１１０を配置することにより、確実に一体化することができる締結構造体を構成することができる。

この発明の構成と、上述の実施形態との対応において、
この発明の締結構造体は、タッピング締結構造体１，１００に対応し、
以下同様に、
非貫通穴は、下穴３に対応し、
タッピングネジは、タップネジ１０，タッピングボルト１１０に対応し、
設定荷重は、設計荷重に対応するも
この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。

例えば、副部材４に設けたボルト穴４ａを、タップネジ１０におけるタップネジ部２１やタッピングボルト１１０におけるタッピングネジ部１３０のネジ山の頂部を通る見かけの外径より大きく形成してもよい。この場合、下穴３に対するタップネジ１０の螺入や、タッピングボルト１１０と固定ナット１５０との螺合によって、タップネジ１０やタッピングボルト１１０に軸力を導入することで、タップネジ１０やタッピングボルト１１０の締結によって構成されるタッピング締結構造体１，１００では、摩擦接合によって主部材２と副部材４とを確実に一体化することができる。

また、主部材２の底面に下穴３を設けるとともに、タップネジ１０，タッピングボルト１１０を、下穴３に対して上方向に螺入するだけで締結構造体を構成できるので、例えば、供用中の高架道路の下面における補強等の施工を、通行止め等の交通規制や舗装面を除去することなく、低コストかつ効率的に実施することができる。

１，１００…タッピング締結構造体
２…主部材
３…下穴
４…副部材
１０…タップネジ
１１０…タッピングボルト

Claims (3)

1. 平板状の主部材に対して、副部材を固定するとともに、前記主部材と前記副部材とを一体化する締結構造体であって、
   前記主部材の所定箇所に形成した非貫通穴に対して、前記副部材を貫通したタッピングネジを螺入して接合され、
   前記主部材が前記タッピングネジの径以下の厚みで形成され、
   前記非貫通穴に対する前記タッピングネジの螺入量に応じた螺合強度に対して、一体化した前記主部材及び前記副部材に対して作用する設定荷重が作用した際に、前記タッピングネジが破断するように前記タッピングネジが配置され、
   前記タッピングネジの径に対して１／３以上の深さで前記非貫通穴に前記タッピングネジが螺入された
   締結構造体。
2. 前記主部材の底面に前記非貫通穴を設けるとともに、
   前記タッピングネジを、前記非貫通穴に対して上向きに螺入した
   請求項１に記載の締結構造体。
3. 平板状の主部材に対して、タッピングネジによって副部材を固定するとともに、前記主部材と前記副部材とを一体化する締結方法であって、
   前記主部材を前記タッピングネジの径以下の厚みで形成するとともに、
   前記主部材の所定箇所に形成した非貫通穴に対して、前記副部材を貫通した前記タッピングネジを、前記タッピングネジの径に対して１／３以上の深さで螺入して接合し、
   前記非貫通穴に対する前記タッピングネジの螺入量に応じた螺合強度に対して、一体化した前記主部材及び前記副部材に対して作用する設定荷重が作用した際に、前記タッピングネジが破断するように前記タッピングネジを配置する
   締結方法。