テーパーワッシャーの 8% と 14% は、ワッシャーではなく形鋼の数字

三つの数字、どれも説明されていない

断面がくさび形の角形ワッシャーには、テーパーワッシャー、勾配座金などいくつかの呼び方が あります。販売店のページはくさびの勾配で表示し、出てくる数字は三つです。

売っているページはここで止まります。なぜ 10 ではなく 8 なのか、なぜ米国側だけ比なのか、 そして目の前の面に一枚要るのかどうか。最後の問いこそ現場で決めるもので、これには公開 された答えがあります。

しきい値は 1:20、しかも無料で読める

Research Council on Structural Connections が発行する《Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts》の 2020 年 6 月 11 日版は無料の PDF です。第 3.1 条は ワッシャーに触れる前に、幾何そのものに制限を置きます。

ボルト頭部およびナットと接触する部品の表面の勾配は、ボルト軸に垂直な平面に対して 1:20 以下でなければならない。

そのうえで第 6.1.1 条が、制限を超えた場合の処置を指定します。

継手の外側面がボルト軸に垂直な平面に対して 1:20 を超える勾配を持つ場合、平行度の不足を 補償するために ASTM F436 テーパーワッシャーを使用しなければならない。

二つを並べて読むと境界は明確です。第 3.1 条は 1:20 に等しい勾配を許し、第 6.1.1 条は 1:20 を超えたときにだけ発動します。数字の上にちょうど載る面は許容範囲の内側で、何も 要求されません。この読み方は後段で効いてきます。ちょうどそこに載る量産形鋼があるからです。

曲がっているのはボルトのほう

第 3.1 条の Commentary が理由を述べますが、その文の主語に注意する価値があります。

構造用ボルト組立ては、締付け時に 1:20 以下の勾配の面に沿って変形できるだけの延性を 一般に備えている。これより大きい勾配は望ましくない。生じる局部的な曲げがボルトの強度と 延性の両方を低下させるからである。

ここから二つのことが出ます。浅い勾配はファスナー自身が吸収します。締付けのときに 組立てがその面に合わせて変形するので、ワッシャーは何も要求されません。そして制限を 超えたとき壊れるのは「ワッシャーが無いこと」ではなく、ボルトが局部的に曲げられている ことで、Commentary が挙げる結果は一つではなく二つ。強度と延性が同時に落ちます。

要約で落とされるのは延性のほうです。強度が落ちたボルトは小さくなった数字ですが、 延性が落ちたボルトが失うのは、壊れる前に出したはずの予告です。計算に現れるのは片方だけです。

勾配はどこから来たのか

数字が一つではない理由は、ワッシャーが何かを写しているからです。初期の熱間圧延形鋼は フランジ内面をテーパーに作っていました。ArcelorMittal の現行形鋼カタログは系列ごとの ページに勾配をそのまま印刷しており、数字は次のとおりです。

真ん中の列を上から読むと、ワッシャーの規格番号は別々の主張には見えなくなります。 どれも、すでに存在していたフランジの相方です。ワッシャーの数字は形鋼の数字です。

三行目がこの話の整った版を崩します。UPN 溝形鋼系列の勾配は一つではありません。 高さ 300 mm 以下が 8%、それを超えると 5% で、同じカタログページに二列で印刷されて います。「UPN は 8%」という言い方は系列の大部分で正しく、上端で誤りです。

ワッシャー規格は形鋼が曲がるところで曲がる

REYHER のファスナー技術ハンドブックには角形ワッシャーの識別表があり、勾配と面に刻まれた 溝の本数が示されています。

DIN 6918 には 8% と 5% の二つの勾配が挙げられており、これは UPN 溝形鋼系列が持つ 二つの勾配そのものです。ワッシャー規格は形鋼規格が分岐する場所で分岐します。 本稿の主張に対する最も直接的な証拠であり、それが形鋼ではなくワッシャーのハンドブックから 出てきました。

溝の本数は現場での識別用です。数ミリ厚の部品で 8% と 14% は目視で判別できないため、 規格は面に数えられる特徴を置きました。8% が二本、14% が一本です。

寸法から勾配を検算する

同じページの寸法表は厚さを厚い側と薄い側の二値で書き、二つの辺長も与えています。 表題を信用せずに勾配を復元するにはこれで足ります。勾配 =（厚い側 − 薄い側）÷ b。 表に印刷された全サイズで計算しました。

計算は全範囲で二つの見出し数字を再現し、ばらつきは 0.1 mm 丸めから予想される程度です。 M8 は両列で最も緩い一致ですが、外さずに載せてあります。合ったサイズだけを並べた表は 検算になりません。

この検算が成立したのは、そのハンドブックが列を定義しているからです。別の販売店の DIN 434 仕様書にも M8 から M27 の完全な寸法表がありますが列の定義が一つも無く、 同じ計算を三通りに試すと 5% から 9% の答えが出ます。それは部品ではなく欠けた定義を 測っています。

勾配としきい値を同じ単位に直す

しきい値は比、勾配の多くは百分率。それだけで比較が見えなくなります。換算は誰でも やり直せる算数です。

テーパー系列はいずれもしきい値の上にあり、これが仕組み全体の妥当性の確認になります。 これらのワッシャーが存在するのは、載る面がボルト自身で吸収できる範囲の外にあるからです。 面白いのは二行目。UPN 320 や UPN 400 のフランジは 5%、つまり 1:20 ちょうどで、 第 6.1.1 条は 1:20 を超えたときに発動します。

国も体系も異なる二つの文書が同じ数字に落ちていますが、一方が他方を見て書かれたという 証拠を当サイトは持っていません。言えるのはそれぞれが何を書いているかと、ボルトが 耐えられなくなる地点について両者の見解が一致していることだけです。

このページが確定していないこと

• DIN のワッシャー規格は一つも読んでいません。DIN 434、435、436、 6917、6918 はすべて有料です。勾配、溝の本数、寸法は REYHER の技術ハンドブックに よるもので、規格本文ではなくファスナー商社の文書です。
• ASTM F436 も読んでいません。1:6 と対象形鋼は形鋼カタログと供給者 情報です。この規格の硬さ、寸法、材料の数値は本ページに一切ありません。
• 勾配は EN 10365 のものではありません。百分率は ArcelorMittal が 自社カタログのページに印刷したもので、同じページが寸法を EN 10365:2017、公差を EN 10279:2000 としています。勾配の数字は製鉄所のものです。
• 2024 年版は当サイトで確認していません。相互確認では DIN 434:2024-10 と DIN 435:2024-10 が現行版で、EN や ISO による置き換えは無いとされました。発行元の ページは有料のため確認できず、事実ではなく手がかりとして記します。
• 1:20 は構造用ボルトのものです。高力ボルト接合の規格であり、理由なく 一般の機械組立てへ持ち込むべきではありません。持ち越せるのは機構です。垂直でない 座面はファスナーを曲げます。

訂正を一つ記録しておきます。本ページの初稿は「UPN 系列はテーパーで約 8%」とだけ 書いていました。相互確認がそれを指摘し、カタログが指摘を裏づけ、その例外は元の 一般化より面白いものでした。

同じ幾何を一段小さく

ここまで小ねじの話は出ませんし、構造用形鋼は当社の製品でもありません。移せるのは 数字ではなく機構です。座面がねじ軸に垂直でなければ頭部は片側で荷重を受け、ねじが 小さいほどそうなるのに必要な誤差は小さくて済みます。M2 の頭の下では、バリ一つや 成形の抜き勾配が誤差予算の全部になり得ます。 当サイトのワッシャーはどちら側かは、 よく聞かれるもう一つの問いに実際に答えている唯一の文書を扱い、 星型座金が使用禁止リストに 載っている件は、ワッシャーの型式が主張どおりに働くかどうかを扱っています。

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

テーパーワッシャーが実際に必要になるのはいつですか。

RCSC《Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts》2020 年版の第 6.1.1 条は、継手の外側面がボルト軸に垂直な平面に対して 1:20 を超える勾配を持つ場合に ASTM F436 テーパーワッシャーの使用を要求します。第 3.1 条は同じ 1:20 をボルト頭部およびナットと接触する面の制限として定め、それに等しい勾配は許しています。構造用ボルトの規則であり、一般的な機械設計の規則ではありません。

なぜ 1:20 なのですか。

第 3.1 条の Commentary はワッシャーではなくボルトで説明しています。構造用ボルト組立ては締付け時に 1:20 以下の勾配の面へ変形できる延性を一般に備えており、それより大きい勾配は望ましくない、生じる局部的な曲げがボルトの強度と延性の両方を低下させるからだ、というものです。損失が二つ挙げられている点に注意してください。転載の際に落とされるのは延性のほうです。

UPN 溝形鋼のフランジは 8% ですか。

高さ 300 mm 以下ならそうです。300 mm を超えると 5% です。ArcelorMittal は同じカタログページに二列で、h = 300 を境に印刷しています。ワッシャー側もそれを反映しており、REYHER は DIN 6918 を 8% と 5% の二つの勾配で挙げています。「UPN は 8%」は系列の大部分で正しく、上端で誤りです。

DIN 434 と DIN 435 の違いは何ですか。

REYHER の識別表では DIN 434 が 8% で溝二本、DIN 435 が 14% で溝一本、DIN 6917 が 14% で一本、DIN 6918 が 8% または 5% です。溝の本数は現場での識別用で、数ミリ厚の部品では 8% と 14% を目視で区別できないためです。これらの規格は有料で、当サイトは読んでいません。

EN 14399-6 は DIN 434 と DIN 435 を置き換えましたか。

いいえ。この混同は指摘しておく価値があります。EN 14399-6 は摩擦接合用高力ボルト向けの plain chamfered washers、つまり穴縁に面取りのある丸い平ワッシャーで、全体が 8% や 14% のくさび形になったテーパーワッシャーではありません。この系列の硬化くさび形ワッシャーは DIN 6917 と DIN 6918 です。

現在の形鋼にもテーパーワッシャーは必要ですか。

IPE、HE 系列、UPE などの平行フランジ形鋼はフランジ内面にテーパーが無いため、平ワッシャーがもともと平らに座り、形鋼そのものの幾何については 1:20 の問題は生じません。テーパーワッシャーは従来のテーパー形鋼に対して意味を持ち続けるので、常備在庫ではなく補修用の品目であることが多くなります。

平ワッシャーで代用できますか。

1:20 を超えた場合、規格書はその選択肢を示しておらず、平行度の不足を補償するためのテーパーワッシャーを要求します。傾いた座面に平ワッシャーを置くと頭部は縁で当たり、それが Commentary の言う局部的な曲げで、ボルトの強度と延性を低下させる原因そのものです。

参考資料

• RCSC《Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts》2020-06-11 — 第 3.1 条とその Commentary、第 6.1.1 条（無料 PDF）
• ArcelorMittal《Sections and Merchant Bars Sales Programme》— 系列ごとに印刷されたフランジ勾配：IPN 14%、UPN 8%／5%（h = 300 で分岐）、米国 S 形鋼 1/6、米国 C 形鋼 約 16⅔%（無料 PDF）
• REYHER《Technische Informationen》TI/2020.04/DE — 角形ワッシャーの識別表（DIN 434、435、436、6917、6918 の勾配と溝本数）と検算に用いた寸法表（無料 PDF）
• ASTM F436/F436M Hardened Steel Washers — カタログページのみ。規格本文は未読
• Aspen Fasteners《Metric DIN 434》仕様書 — 検算の節で触れた、列の定義が無い寸法表

本ページで全文を読んだ文書は三つです。RCSC 規格書（第 3.1 条、第 6.1.1 条、3.1 の Commentary を逐語引用）、ArcelorMittal 形鋼カタログ（IPN、UPN、S、C の各系列ページで flange slope の行を特定）、REYHER 技術ハンドブック（角形ワッシャーの識別表と寸法表）。DIN のワッシャー規格と ASTM F436 は一つも読んでおらず、いずれも有料です。本ページがそれらに帰している勾配、溝本数、寸法は供給者文書が印刷している内容です。勾配の算術は当サイトによるもので、勾配 =（厚い側 − 薄い側）÷ b を REYHER の表の全サイズに適用し、M8 の最も緩い二つを含めてすべて掲載しました。同じ算術は Aspen Fasteners の仕様書では成立しません。列の定義が一つも無く、読み方により 5% から 9% の答えになります。1:20 を 5%、1:6 を 16.7% とする換算は当サイトによるものです。DIN 434:2024-10 と DIN 435:2024-10 が現行版であるという記述は相互確認によるもので、発行元が有料のため確認できず、本文でその旨を明記しています。