超高耐久性メカニカルファスナーによる鋼構造物メンテナンスの改善

使用超耐用的机械紧固件改善钢结构维护

• 批准号: 20H02235
• 负责人: 山口 隆司
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: Osaka Metropolitan University (2022-2023)Osaka City University (2020-2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H02235/
• 关键词: 構造工学・地震工学; 高力ボルト; 摩擦接合継手; メカニカルファスナー; 皿型形状; 高耐久; 高力ボルト，摩擦接合継手，メカニカルファスナー; 砂時計型; 構造工学・地震工学; 高力ボルト; 摩擦接合継手; メカニカルファスナー; 皿型形状; 高耐久; 高力ボルト，摩擦接合継手，メカニカルファスナー; 砂時計型

本研究の目的は，突出部が一切ない砂時計型形状のメカニカルファスナー（Double Spindle Fastener: DSF）を開発することであり，①皿型形状を両端に有する超高耐久性メカニカルファスナーの開発，②試作ファスナーおよびそれによる摩擦接合継手の耐荷性・防食性・疲労耐久性の評価，③実構造への適用，の3つの課題を解決することで達成される．DSFはファスナー内部にねじ部を有しており，呼び径よりも有効径が小さい構造となる．そのため，F8T-M22高力ボルトと同等の締結性能を確保するために引張強度が1400 MPaを超える高強度材料が必要となる．一方，高強度材料の使用には遅れ破壊の防止が必要条件であり，ねじ部の応力集中の改善が要求される．2021年度までは，ねじ部を詳細にモデル化した数値解析およびDSF用ナットの締付解析より，ねじ開き角度は55 ~ 60°，皿型形状のナットのねじ部を貫通式と決定し，DSFを高力皿型ボルトと高力皿型ナットで構成することとした．2022年度は，試作DSFを製作して，DSF自体の引張試験・締付試験・DSFを用いた摩擦接合継手の引張数値解析を実施した．引張試験の結果，DSFは皿型ボルト側で破断し，その最大荷重は既存の高力六角ボルト用の設計耐力で安全側に評価できることがわかった．締付試験では，導入トルク-導入軸力-回転角-頭部ひずみの関係を整理し，トルク係数よりも回転係数（軸力―回転角関係の傾き）が安定していることを確認し，DSFの軸力管理法には回転角法を採用することととした．DSFを用いた2面摩擦接合継手の引張数値解析では，DSFの締付軸力がざぐり面から伝達されることで接合面の接触圧分布が拡大し，継手端部の離間が抑制された．また，DSF継手のすべり係数は，高力六角ボルト・皿型高力ボルト継手のそれよりも低下しないことを確認した．

The purpose of this research was to develop a mechanical fastener (DSF) with an hourglass shape with no protrusions, and was achieved by solving three issues: 1) the development of an ultra-high-durability mechanical fastener with a dish-shaped shape on both ends, 2) the evaluation of the load-bearing, corrosion-proofing and fatigue durability of a prototype fastener and the friction-joining joint, and 3) the application to actual结构。 DSF在紧固件内有一个螺纹部分，导致其有效直径小于标称直径的结构。因此，需要超过1400 MPa的高强度材料，以确保相当于F8T-M22高强度螺栓的性能。另一方面，使用高强度材料需要预防延迟断裂，并且需要改善螺丝段中应力集中。直到2021年，基于对螺纹部分的详细建模和DSF螺母的拧紧分析的数值分析，确定螺纹开头的螺纹开头为55-60°，并穿透了盘状螺母的螺纹部分，并且由高量表螺栓和高速公长螺母组成DSF。在2022财年，我们制造了一个原型DSF，并进行了拉伸测试，收紧测试以及使用DSF对摩擦接头进行拉伸数值分析。拉伸测试表明，盘状螺栓侧的DSF断裂，可以在安全侧评估最大载荷，并使用现有的高强度六边形螺栓的设计强度来评估。在收紧测试中，组织了扭矩，引入的轴向力，旋转角度和头部应变之间的关系，并确认旋转系数（轴向力旋转角的倾斜度）是稳定的，而不是扭矩系数，并且旋转角度方法被用作DSF的轴向力管理方法。在使用DSF对双面摩擦接头进行拉伸数值分析中，从沟表面透射DSF的轴向力，从而扩大了关节表面的接触压力分布，从而防止了关节末端的分离。我们还确认，与高强度的六边形螺栓和盘式高强度螺栓接头相比，DSF接头的滑动系数不会降低。