様々な構造状況において、エンジニアは溶接や機械的締結具による接合部の強度を評価する必要がある場合があります。現在、機械的締結具は一般的にボルトですが、古い設計ではリベットが使用されている場合があります。
これは、プロジェクトのアップグレード、改修、または機能強化の際に発生する可能性があります。新しい設計では、接合する材料をまずボルトで固定し、その後溶接することで接合部に十分な強度を与える接合部において、ボルト締めと溶接を併用する必要がある場合があります。
しかし、接合部の総荷重容量を決定することは、個々の部品（溶接、ボルト、リベット）の合計を単純に加算するほど単純ではありません。そのような仮定は、悲惨な結果につながる可能性があります。
ボルト接続は、アメリカ鋼構造協会 (AISC) の構造ジョイント仕様書に記載されており、タイトマウント、プリロード、またはスライディングキーとして ASTM A325 または A490 ボルトを使用します。
しっかりと締め付けられた接合部は、インパクトレンチ、または錠前屋の通常の両頭レンチを使用して締め付け、層間の密着性を確保してください。プレストレス接合では、ボルトは大きな引張荷重を受けるように設置され、プレートは圧縮荷重を受けます。
1. ナットを回します。ナットを回すには、ボルトを締め付けた後、ボルトの直径と長さに応じてナットをさらに回します。
2. キーを校正します。校正レンチ法では、ボルトの張力に関連するトルクを測定します。
3. ねじり式テンション調整ボルト。ねじり締め式テンションボルトは、ボルトのヘッドとは反対側の端に小さなスタッドが付いています。必要なトルクに達したら、スタッドを緩めます。
4. ストレートプルインデックス。ダイレクトテンションインジケーターは、タブ付きの特殊なワッシャーです。ラグの圧縮量によって、ボルトにかかる張力のレベルを示します。
簡単に言えば、ボルトはタイトジョイントやプレテンションジョイントにおいてピンのような役割を果たします。まるで、穴の開いた紙の束を留める真鍮のピンのようです。重要な滑りジョイントは摩擦によって機能します。プレロードによって下向きの力が生まれ、接触面間の摩擦がジョイントの滑りを抑制します。これは、紙の束をまとめるバインダーのようなものです。紙に穴が開いているのではなく、バインダーが紙を押さえつけ、摩擦によって束がまとめられているのです。
ASTM A325ボルトの最小引張強度は、ボルト径に応じて150～120 kg/平方インチ（KSI）です。一方、A490ボルトは150～170 KSIの引張強度が必要です。リベット接合はタイトジョイントに似た挙動を示しますが、この場合、ピンはリベットであり、その強度は通常A325ボルトの約半分です。
機械的締結接合部がせん断力（加えられた力によって一方の要素が他方の要素の上を滑ろうとする力）を受けると、2つの可能性のうちのいずれかが発生します。ボルトやリベットが穴の側面にある場合、ボルトやリベットが同時にせん断される可能性があります。もう1つの可能性は、プレテンション締結具の締め付け力によって生じる摩擦がせん断荷重に耐えられることです。この接合部では滑りは発生しないと予想されますが、発生する可能性はあります。
多くの用途では、わずかな滑りが接続特性に悪影響を与えることはないため、しっかりとした接続が許容されます。例えば、粒状物質を貯蔵するために設計されたサイロを考えてみましょう。最初の積載時にはわずかな滑りが生じる可能性があります。一度滑りが生じても、その後の積載はすべて同じ性質であるため、再び滑りが生じることはありません。
荷重反転は、回転部材が引張荷重と圧縮荷重を交互に受ける場合など、いくつかの用途で用いられます。また、曲げ部材が完全に逆方向の荷重を受ける場合も、荷重方向の大きな変化が生じる可能性があります。荷重方向が大きく変化する場合は、周期滑りを排除するために、接続部に予荷重をかける必要がある場合があります。この滑りは、最終的に長穴におけるさらなる滑りにつながります。
接合部の中には、多くの荷重サイクルを受けるものがあり、疲労につながる可能性があります。例えば、プレス、クレーン支持部、橋梁の接合部などが挙げられます。接合部が逆方向の疲労荷重を受ける場合、滑り臨界接合が必要となります。このような状況では、接合部が滑らないことが非常に重要であるため、滑り臨界接合が必要となります。
既存のボルト接合は、これらの規格のいずれかに基づいて設計・製造できます。リベット接合は、気密性が高いとみなされます。
溶接接合部は剛性が高いのに対し、はんだ接合部は扱いが難しいです。荷重がかかると滑りやすいボルト締め接合とは異なり、溶接は伸縮する必要はなく、負荷を大きく分散させる必要もありません。ほとんどの場合、溶接型とベアリング型の機械的締結具は同じように変形しません。
溶接をメカニカルファスナーと共に使用する場合、荷重はより硬い部分を介して伝達されるため、ボルトと分担する荷重はごくわずかで、溶接部はほぼすべての荷重を支えることができます。そのため、溶接、ボルト締め、リベット締めの際には注意が必要です。仕様。AWS D1 は、メカニカルファスナーと溶接部の混在に関する問題を解決します。構造溶接 - 鋼の仕様 1:2000。パラグラフ 2.6.3 では、ベアリングタイプのジョイントで使用されるリベットまたはボルト (つまり、ボルトまたはリベットがピンとして機能する) の場合、メカニカルファスナーは溶接部と荷重を分担するものと見なすべきではないと規定されています。溶接を使用する場合は、ジョイントの全荷重を支えるように溶接を施す必要があります。ただし、1 つの要素に溶接され、別の要素にリベットまたはボルトで固定された接続は許可されます。
ベアリングタイプのメカニカルファスナーを使用し、溶接を追加する場合、ボルトの耐荷重能力はほとんど無視されます。この規定に基づき、溶接はすべての荷重を伝達できるように設計する必要があります。
これは基本的にAISC LRFD-1999のJ1.9項と同じです。ただし、カナダ規格CAN/CSA-S16.1-M94では、機械的締結具またはボルトの強度が溶接の強度よりも高い場合、単独使用も認められています。
この問題では、3 つの基準が一貫しています。ベアリング タイプの機械的固定の可能性と溶接の可能性は一致しません。
AWS D1.1のセクション2.6.3では、図1に示すように、ボルトと溶接を2つの部品から成る接合部で組み合わせる状況についても説明しています。左側に溶接、右側にボルト締めが配置されています。ここでは、溶接とボルトの合計出力を考慮することができます。接合部全体の各部品は独立して動作します。したがって、この規格はセクション2.6.3の最初の部分に含まれる原則の例外となります。
ここまでに説明した規則は新築の建物に適用されます。既存の構造物については、8.3.7 D1.1項において、構造計算によりリベットまたはボルトが新たな総荷重によって過負荷になることが判明した場合、既存の静的荷重のみを適用すべきであると規定されています。
同じ規則では、リベットまたはボルトが静的荷重のみで過負荷になる場合、または周期的（疲労）荷重を受ける場合は、総荷重を支えるために十分なベースメタルと溶接を追加する必要があることが規定されています。
構造に予荷重がかかっている場合、つまり接続された要素間に滑りが生じている場合は、機械的締結具と溶接部間の荷重分散は許容されます。ただし、機械的締結具には静的荷重のみをかけることができます。滑りを大きくする可能性のある活荷重は、全荷重に耐えられる溶接部を使用することで保護する必要があります。
溶接部は、あらゆる荷重（動的荷重を含む）に耐えられるよう設​​計する必要があります。機械的締結具が既に過負荷状態にある場合、荷重分担は認められません。また、周期的な荷重が加わる場合、荷重分担は認められません。荷重が恒久的な滑りや溶接部の過負荷につながる可能性があるためです。
図解。元々ボルトでしっかりと固定されていた重ね継ぎ手を考えてみましょう（図2参照）。構造上、強度が増すため、強度を倍増させるには接合部とコネクタを追加する必要があります。図3は、部材を補強するための基本設計図を示しています。接合はどのように行うべきでしょうか？
新しい鋼材を古い鋼材に隅肉溶接で接合する必要があったため、エンジニアは接合部に隅肉溶接を追加することにしました。ボルトはまだ設置されていたため、当初の計画では、新しい鋼材に余分な力を伝達するために必要な溶接のみを追加し、荷重の50%がボルトを、残りの50%が新しい溶接を通過すると想定していました。これは許容範囲でしょうか？
まず、接続部に現在静的荷重がかかっていないと仮定します。この場合、AWS D1.1の2.6.3項が適用されます。
この支持型接合部では、溶接部とボルトが荷重を分担することはできないため、指定された溶接部のサイズは、静的および動的荷重のすべてを支持できる大きさでなければなりません。この例では、ボルトの支持力は考慮されません。静的荷重がない場合、接合部は緩んだ状態になるからです。（荷重の半分を支えるように設計された）溶接部は、全荷重が加わると最初に破断します。次に、同じく荷重の半分を伝達するように設計されたボルトが荷重を伝達しようとして破断します。
さらに、静的荷重が作用すると仮定します。さらに、既存の接合部は既存の永久荷重を十分に支えられると仮定します。この場合、8.3.7項D1.1が適用されます。新しい溶接部は、増加した静的荷重と一般的な活荷重のみに耐えればよいものとします。既存の固定荷重は、既存の機械的締結具に割り当てることができます。
一定荷重下では接合部はたわみません。ボルトが既に荷重を支えているためです。接合部には多少の滑りが生じているため、溶接を使用することで動的荷重を伝達できます。
「これは許容できるか？」という質問への答えは、荷重条件によって異なります。最初のケース、つまり静的荷重がない場合、答えは「いいえ」となります。2番目のシナリオの特定の条件下では、答えは「はい」です。
静的荷重が作用しているからといって、必ずしも結論を導き出せるとは限りません。静的荷重のレベル、既存の機械的接続の適切さ、そして端部荷重の性質（静的荷重か周期的荷重か）によって、答えは変わる可能性があります。
Duane K. Miller（MD、PE、住所：22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199）、リンカーン・エレクトリック・カンパニー溶接技術センター・マネージャー、www.lincolnelectric.com。リンカーン・エレクトリックは世界中で溶接機器および溶接消耗品を製造しています。溶接技術センターのエンジニアと技術者は、お客様の溶接に関する問題解決を支援します。
American Welding Society、550 NW LeJeune Road、Miami、FL 33126-5671、電話 305-443-9353、FAX 305-443-7559、ウェブサイト www.aws.org。
ASTM Intl.、100 Barr Harbor Drive、West Conshohocken、PA 19428-2959、電話 610-832-9585、FAX 610-832-9555、ウェブサイト www.astm.org。
アメリカ鋼構造協会、One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001、電話 312-670-2400、FAX 312-670-5403、ウェブサイト www.aisc.org。
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