補修・補強用締結構造の開発および強度評価方法

総合研究所・都市減災研究センター（UDM）研究報告書（平成２３年度）

テーマ2 小課題番号2.2-4

補修・補強用締結構造の開発および強度評価方法

一之瀬和夫*小久保邦雄**小林光男*後藤芳樹**斉藤数馬***若林博之***

1. まえがき

既設構造物の緊急補強施工や補修工事において，部材 の構造締結作業で狭隘な部材の内部へ作業者が侵入した り，締結工具を配置設置できないことは多い．このよう な箇所や作業の迅速さを要求されるときブラインドファ スナが使われる．これによって作業者一人による単独施 工の極めて作業効率は高くなる．そこで，橋梁や鋼構造 の 補 強な どで は 締結 助材 とし て M12 以上 のハ ック ボル トが，プレファブハウスなどではM10までのフレキシブ ルブラインドファスナ（frexible blind fastner FBFと略記）

が使われる．このとき，締結助材に使われるのがブライ ンドナットである（blind nut BNと略記）．ま た，ハイ ド ロフォ－ム部材の構造締結にも BN として広く使わ れ て いる（名称：ロブバルブ，ロブロックなど）．これらの背 景から，これま で行ってきた締結助材についてのFEAに よるBNモデル16の 締結解 析と 実験の結果¹⁾をもとに し て，比較的軽作業下の片側施工の際に使用するフレキシ ブルブラインドナット(FBN と略記)の構造締結の強度 評 価方法を次のようにとりあげた．

a)BN の変形と施工上の検 討課題を 明らかにする．また，

b)母材 AへBNを締結した 状態の強度 をBNへの軸 力Pz と せ ん 断 力 Ps が 同 時 に 作 用 す る 複 合 負 荷 （combined loading）のもとで調べる方 法（複合負荷法）の開発．

2. 複合負荷による強度評価 法

スポット溶接や構造締結の強度評価で行われている従 来の方法は，締結助材の軸および軸と直交する平面内で せん断力を負荷するものであった．この方法を BNあ る いはFBN締結へ適用する とFig.1に示す方法となる¹⁾． 同図の方法（従来法）を単純負荷法と名づけ，あらたに Fig.2 で 提 案 し て い る 方 法 を 複 合 負 荷 法 と 称 す る こ と に する．Fig2の強度特性図を 準備することにより，施工の あと締結要素が被っている外力から，付替え，あるいは 補修（補強）の要不要を判断することができる．

3. 複合負荷による実験結果 と考察 3.1 単点構造締結における 加締力と BNの軸引張強度

Fig.3には，NSD-6Mの単点構造締結で加締めたときの

加 締 力 P と ， そ の 後 の 軸 引 張 力 を 負 荷 す る こ と に よ る

BN円筒部の伸び破断を 示 した． 一対の母材はSPCC（A

と B ともに t1.6mm）で ， ナッタ へ設定する加締量ℓ を

1.8mmとした．軸引張によ る円筒部の 変形は伸び破断で

あり，Pmax≒7kNであった ．母材Bの底面とネジ部との 間で BN のねじ部を軸方 向 へ引く ことによって，円筒部 の強度が求められる．母材 AとBを引き剥がすとき ，穴 の広がり変形はBの板厚に大きく左右される．

3.2 浅絞りカップ型ホルダ による単点構造締結の強度 絞りカップを設計し，素板SPCCt1.6mmを 浅絞りする

*:工 学 院 大 学 工 学 部機 械 工学 科・ 機 械 シ ステ ム 工学 科 教授,** 機 械 シ ス テム 工 学科 卒 論生,***(株)フ セ ラ シ

(a) 軸 引 張 (b) せ ん 断 Fig.1 従 来 法 に よ るBNの 破 壊試 験

Fig.2 BNへ 複 合 負 荷 方 法

Fig3加 締 と 軸 引 張 力に よ る 破断

総合研究所・都市減災研究センター（UDM）研究報告書（平成２３年度）

テーマ2 小課題番号2.2-4

ことによってFig.4に示したホルダを準備した．複合負 荷jigの詳細については省 略し，Fig.5には，こ れらの jig によってθ=0°および θ=90°で実施したPの推移と BN の破断形状を示した．同図(a)で，1対のホルダ内へ納 め られた締結体は軸力Pzによって軸方向へ引剥がされる．

このとき，加締によって BN の円筒部に形成され たバ ル ブの外径部によって母材Bの穴部は押拡げを被る．母材 B の穴部はバルブによって 面外変形をうける．したがっ て ， 軸 引 張 力 が 優 勢 な 外 力 環 境 で の 設 計 と 施 工 で は ，

Fig.2の軸力優勢域でBN単 独の強度特性値よりも母材B

の面外変形を考慮することが重要である．同図(b)に お け るせん断力負荷の結果では，Pmax以降にBNの円筒 部 伸 び破断がおこっている．母材 B の穴拡がり量は小さく，

変位zはBNが せん断される ことによるものである．Fig.5

のP推移をFig.6に示したそれらと比較すると，BNは カ

ップ型ホルダから大きな変形拘束をうけている．すなわ ち，Fig.6に示したように，従来法でおこなうと長片母材 の面外変形が BN 円筒部 の 伸び変形を促進することにな るので注意が必要である．両者の方法で得られたせん断 力 Psの値はおおよそ同じ 値である．母材 A,ある い は B の 板 厚が 小さ くな る と，BN の 円 筒が せ ん断 され るより も，板側の穴部広がりが先行する．Ps に対する Pzの 比 の値(η＝Pz/Ps)を 0.26～3.7 で実施した方法とその結果 を発表時に示す．

4. まとめ

ブラインドファスナ－のうち，ブラインドナットの締 結力の向上を目指して，部材A及び Bの締結における バ ルブの複合負荷試験法を開発した．締結体へ軸力および せん断力を負荷することにより，外力を受けるバルブの 挙動を実験で調べた．

参考文献

1) Peizeng L.,Kunio K.,Kazuo I.,Masaaki S.:Experimental and Numerical Analysis of the Fastning Bolt Using the Plastic Buckling Deformation of a Pipe,J.SMME,vol.4,no.12(2010),1765-1777.

(a) θ=90°, couple nr.1 and nr.2

(b) θ=0°,couple nr.5 and nr.6 FIg.5 P推 移 （NSD-6M,PCC,:t1.6,:t1.6）

(a) 浅 絞 り 設 計お よ び 塑性 加工

(b)不 整 成 形 の 一 例 Fig.4

浅 絞 り カ ップ 型 ホ ル ダ

Fig.6 従 来 法(長 片 母 材AとBへ 締 結 さ れ たNBの 破 壊 荷 重 推 移 と破 壊 状態 ，NSD-6M，SPCC，A:t1.6，B:t1.6）