締まっていないボルトは継手を弱くするのではなく、別の継手に変える

この文書は建築と橋梁のための構造用鋼のボルト継手仕様書である。 RCSC の《Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts》、 2020 年 6 月 11 日版、百十八ページ、全文を無償で入手できる。 車両については何も述べていないし、その数値を車両に当てはめもしない。 引くのは、ほとんどの無償文書がやらないことをこれがやっているからだ。 二種類のせん断継手の定義を、一つの用語集に並べて書いてある。

写真のシャシも診断しない。実物を見ていないし、車両の名前も書かない。

二つの定義、同じ用語集

仕様書自身の言葉で並べる。

同じボルト、同じ穴、同じ板。違うのは荷重の行き先だ。 一方では、荷重は締め付けられた二つの面のあいだの摩擦として継手を渡り、 ボルトはそれをせん断として感じることがない。 他方では、板は金属が金属に当たるまで滑り、 そこからボルト軸部が隙間を越えて荷重を運び、穴の壁がそれを板へ入れる。

どちらを手にしているかを決める量も定義されている。 平均すべり係数は 「すべりが生じるときの、合わせ面における摩擦せん断荷重の全法線力に対する比」。 摩擦力を法線力で割ったもの。法線力がなければ摩擦力もない。

式は、どんな文よりも率直である

5.4 項がボルト一本あたりの公称すべり耐力を与える。 項を読むだけで議論はそろう。

• µ、平均すべり係数。表面の状態から決まる
• D_u、建築構造 1,13、橋梁構造 1,00
• h_f、フィラー係数。1,0 または 0,85
• T_m、最小の導入軸力
• n_s、すべり面の数
• k_sc、同じボルトが外力の引張も負担する場合の低減

これらはすべて掛け合わされる。式の読みは当方のものであって規格の一文ではないが、 算術のほうにあいまいさはない。 すべり耐力は導入軸力に正比例する。 軸力を半分にすればすべり抵抗も半分。ゼロにすれば、低減する対象そのものが残らない。

だから締められていない継手は「少し出来の悪い締まった継手」のようには振る舞わない。 区分が変わっている。いま効いている設計基準はもう一方の定義のもので、 それを選んだ者は誰もいない。

ボルトが穴壁に当たるまでの距離

4.1 項の解説が、写真の突きつける問いに数値で答えている。

ではすきまはどれだけか。表 3.1 が公称の穴寸法を与える。 以下のすきまはそこからの当方の引き算である。

標準穴のすきまは 1/2 から 7/8 in まで 1/16 in で、 1 in で 1/8 in に倍になり、そこから先は変わらない。 表の一段で倍になることを指摘するのは当方であって、規格は穴径を印刷しているだけだ。

二つを合わせて、3/4 in のボルトを標準穴に入れた場合を見る。すきま 1/16 in。 理論上の最大すべりはその二倍、1/8 in、約 3,2 mm。 観測されるすべりはすきまの半分ほど、1/32 in、約 0,8 mm。 同じボルトを大径穴に入れるとすきまは三倍になり、理論上の最大すべりは 3/8 in、約 9,5 mm になる。

数ミリメートル。それが、保持している継手と、 軸部が穴壁に当たっている継手とのあいだの全距離である。 そして解説は、これが荷重をかける前に起きていることも多いと加える。 「ボルト群における穴位置の許容される不正確さは、 初期の無荷重状態で一本以上のボルトを支圧状態にすることが通常である。」

表面はボルトの等級より多くの仕事をしている

もうひとつ見つめる価値があるのが µ だ。締結部品の性質ではまったくない。 仕様書は二つの値を与える。

• クラス A、µ = 0,30。未塗装の清浄な黒皮鋼表面、ブラスト鋼上のクラス A 被膜、または溶融亜鉛めっき
• クラス B、µ = 0,50。未塗装のブラスト鋼表面、またはブラスト鋼上のクラス B 被膜

クラス B はクラス A の三分の五倍。これは当方の割り算で、 合わせ面をブラストすると黒皮のままより三分の二ほど多くすべり抵抗が買える。 ボルトは何も変わっていない。 めっきの位置にも注意がいる。溶融亜鉛めっきはクラス B ではなくクラス A の側に名を連ねている。

一週間のうちに二度目だ。効いているのは合わせ面であって、 そこを貫く金物ではなかった。 もう一度は 星型座金を禁じるボンディング規格で、 電流は処理された面で渡り、締結部品はその面に圧力を保つためだけにある、という理由だった。 同じ幾何で二つの異なる仕事。どちらでも締結部品が供給するのは締付力であって、 仕事そのものではない。

仕様書が密着締めを許さなくなる場所

密着締め継手は既定では許される。 4.2 項がどこで導入軸力が必須になるかを、 4.3 項がどこで継手がすべり限界でなければならないかを挙げる。 動く構造を念頭に読む価値のある項目が二つある。

• 導入軸力を与えた継手が必要なのは、顕著な荷重反転を受ける継手と、方向反転のない疲労荷重を受ける継手
• すべり限界継手が必要なのは、荷重方向の反転を伴う疲労荷重を受ける継手、大径穴を用いる継手、ほとんどの長穴、そして合わせ面のすべりが構造の性能に有害となる場合

解説が最初の項目を一文で説明する。反転疲労荷重を受ける継手は 「すべり限界継手でなければならない。すべりが継手の往復運動をもたらし、 疲労破壊を加速させる可能性があるからである」。 往復運動。一度滑って支圧になるのではなく、 穴壁に達し、戻り、また達する継手である。

それが写真の機構であり、壊れたのがボルトではなく穴だった理由でもある。 この仕様書で密着締めが何を意味するかは 先の頁で扱っており、 それは別の問いなのでここでは繰り返さない。

大きくなった穴は、別の穴である

もう二つの規定が輪を閉じる。穴の種類は説明ではなく値札を持っている。 抵抗係数が穴の種類で変わる。

観察が二つ、どちらも当方のもの。 第一に、長穴は標準穴に対してすべり耐力の三割を払う。 第二はもっと気持ちがよい。 許容応力側の係数は 1,50 を荷重側の係数で割ったものにすぎない。 1,50 ÷ 0,85 = 1,7647 で印字は 1,76、 1,50 ÷ 0,70 = 2,1429 で印字は 2,14。二行、二回とも一致する。 規格はその関係を一度も述べていない。

寸法が意図どおりでなくなった穴について、表 3.1 の解説が結果を明言する。 「ボルト穴の寸法がこれらの許容される変動を超える場合、 その穴は次に大きい種類として扱わなければならない。」 大きくなった穴は、注記付きの標準穴ではない。 それは大径穴であり、それに伴う低減が付いてくる。さらに大きくなれば長穴である。

持ち帰る点

• すべり耐力は導入軸力に比例する。軸力はすべりの式の掛け算の因子なので、軸力ゼロは低減した抵抗ではなくゼロの抵抗になる
• 軸力のない継手は別の設計場合であり、ボルトのせん断強度と被接合材の支圧強度が支配する
• 穴壁までの距離は短い。理論上の最大すべりは穴すきまの二倍、観測値はその半分ほど。3/4 in のボルトを標準穴に入れれば理論上およそ 3,2 mm、実際には一ミリメートル未満である
• 標準穴のすきまは 7/8 in までのボルトで 1/16 in、1 in で 1/8 in に倍になる
• 摩擦を担うのは合わせ面であってボルトではない。ブラストが 0,50、黒皮が 0,30 で、溶融亜鉛めっきは低いほうの等級に入る
• 反転する疲労荷重が、仕様書が密着締めを許さなくなる場所である。すべりが往復運動になるからだ
• 公差を超えて大きくなった穴は次に大きい種類として扱われ、一段上がるたびにすべり耐力を払う
• これらの数値はどれも車両のものではない。構造用鋼の仕様書であり、引いたのは理屈であって数値ではない

あの写真のボルトは、誰かが意図したやり方で荷重を運んでいたことは一度もない。 少し大きめの穴に入ったピンであり、 接触する二者のうち柔らかいほうがフレームだった。

その二つの分類は最初からあったわけではない。この仕様書は 1951 年に リベットのあった場所にボルトを一本置くための規則として現れ、 すべての継手が素地の鋼の上で軸力を導入され、種類への分岐は三年後のことである。

まれに、動くことが前提の継手がある。そのとき仕様の形はまるごと変わる。 ある連邦規則は、部材がなお滑れるようにボルトを締めることを求め、 トルクには一度も触れない。

この記事は六つの手順のどれか一つには収まりません。手順をまたいで出てくるか、組み付けたあとに出てくる話です。ここに行き着く判断がどこで下されているかはねじの決め方にまとめてあります。

よくある質問

締まっていないボルトはなぜ荷重を減らすのではなく穴を壊すのですか。

継手の区分が変わるからです。RCSC 仕様書のすべり耐力は、すべり係数と導入軸力ほかいくつかの係数の積なので、軸力がなければすべり耐力もまったくありません。板はボルト軸部が穴壁に当たるまで滑り、荷重経路はボルトのせん断と被接合材の支圧になります。

ボルト継手はどれだけ滑りますか。

4.1 項の解説は、最大が理論上は穴すきまの二倍で、実験室と現場の経験では実際にはすきまの半分ほどだと述べます。3/4 in のボルトを標準穴に入れた場合すきまは 1/16 in なので、理論上およそ 3,2 mm、観測では一ミリメートル未満です。

標準のボルト穴のすきまはどれだけですか。

表 3.1 からの当方の引き算では、1/2 から 7/8 in のボルトで 1/16 in、1 in 以上で 1/8 in です。大径穴は 1/2 in で 1/8 in、5/8 から 7/8 in で 3/16 in、1 in で 1/4 in、それより上で 5/16 in になります。

すべり限界継手とは何ですか。

仕様書は、せん断またはせん断と引張の組合せを伝える継手で、ボルトが導入軸力を与えるように取り付けられ、それが合わせ面への締付力として説明され、かつ合わせ面が計算可能なすべり抵抗を与えるよう処理されたもの、と定義します。対になるのがせん断・支圧継手で、ボルトのせん断強度と被接合材の支圧強度で設計されます。

表面仕上げは継手の耐力を変えますか。

すべり耐力については変え、しかも大きく変えます。平均すべり係数はクラス A で 0,30、これは未塗装の清浄な黒皮と溶融亜鉛めっきを含みます。クラス B は 0,50 で、未塗装のブラスト鋼またはその上のクラス B 被膜です。当方の割り算でクラス B はクラス A の三分の五倍、ボルトは何も変わりません。

仕様書はいつ密着締めではなく導入軸力を求めますか。

4.2 項は、上位の規定が求めるとき、顕著な荷重反転を受けるとき、方向反転のない疲労荷重を受けるとき、グループ 120 の組立品が引張疲労を受けるとき、グループ 144 または 150 の組立品が引張または引張とせん断の組合せを受けるときに、導入軸力を与えた継手を要求します。

反転疲労荷重を受ける継手はなぜすべり限界でなければならないのですか。

解説は、すべりが継手の往復運動をもたらし疲労破壊を加速させる可能性があるため、そうした継手はすべり限界でなければならないと述べます。一度のすべりはボルトを穴に当て、反転する荷重はそれを戻してまた当てます。

ボルト穴が表の許容より大きい場合はどうなりますか。

表 3.1 の解説は、その穴を次に大きい種類として扱わなければならないと述べます。書類上の変更ではありません。すべりの抵抗係数は標準穴の 1,00 から大径穴の 0,85、長穴の 0,70 へ下がります。

これは自動車や機械にも当てはまりますか。

直接には当てはまりませんし、この頁もそう主張しません。RCSC 仕様書は建築と橋梁の構造継手を対象としています。ここで引くのは、摩擦接合と支圧接合の違いを多くの文書より明快に述べているからであり、全文が無償で読めるからです。

参考資料

• RCSC《Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts》、2020 年 6 月 11 日。全文、118 ページ、無償。用語集、表 3.1、4.1 から 4.3 項、5.4 項
• r/Justrolledintotheshop、締められていないコントロールアームのボルトとその損傷の写真がこの問いを生んだ場所

RCSC 仕様書は全文を読んだ。118 ページの無償ダウンロードである。これは建築と橋梁のための構造用鋼の仕様書である。車両にも機械にもそれ以外にも適用されず、この頁のどの数値もそちらへ移してはならない。引いたのは二種類のせん断継手を分ける書き方であって、数値ではない。掲示板の写真のシャシは実物を見ておらず診断もしない。車両の製造者名も型式も書かない。次の各項は当方の算術または読みであり、仕様書の記述ではない。すべり耐力が導入軸力に正比例し、したがって軸力がなければゼロだという結論。これは軸力が式 5.6 の掛け算の因子として現れることから導いた。クラス B とクラス A のすべり係数の三分の五という比。表 3.1 の公称穴径からボルト径を引いて得た穴すきまと、標準穴のすきまが 1 in で 1/16 から 1/8 へ倍になるという観察。3/4 in のボルトについてのすべり距離の計算。そして許容応力側の係数が 1,50 を対応する荷重側の係数で割ったものであり、二行とも一致するという発見である。式 5.6 とそのすべり係数、および表 3.1 は、抽出テキストではなく印刷頁を描画した画像と照合した。表 5.2 の最小導入軸力の数値はこの頁に転載していない。この頁に必要がないうえ、文脈から切り離して持ち出されやすい数値だからである。導入軸力と応力断面積のあいだの一般的な関係も述べない。それを検算するにはねじピッチと断面積の式が要るが、どちらもこの文書にはない。AISC 360、EN 1090、ASTM F3125 は読んでいない。読んだのは投稿本体であって返信ではない。この仕様書で密着締めが何を意味するか、そしてナット回転法は先の頁にあり、ここでは繰り返さない。