様々な構造物において、技術者は溶接や機械的締結具によって作られた接合部の強度を評価する必要がある場合があります。今日では、機械的締結具として一般的にボルトが用いられますが、古い設計ではリベットが使われている場合もあります。
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、次に溶接することで接合部の強度を最大限に高める、ボルト締めと溶接を組み合わせた接合部が必要となる場合があります。
しかし、接合部の総耐荷重を決定することは、個々の構成要素（溶接部、ボルト、リベット）の合計を単純に足し合わせるほど単純なことではありません。そのような仮定は、悲惨な結果を招く可能性があります。
ボルト接合は、米国鉄骨構造協会（AISC）の構造接合仕様書に記載されており、ASTM A325またはA490ボルトをタイトマウント、プリロード、またはスライドキーとして使用します。
しっかりと締め付けられた接続部は、インパクトレンチまたは通常の両面レンチを使用して締め付け、層がしっかりと接触していることを確認してください。プレストレス接続では、ボルトは大きな引張荷重を受けるように取り付けられ、プレートは圧縮荷重を受けるように取り付けられます。
1. ナットを回します。ナットを回す方法は、ボルトを締めた後、ボルトの直径と長さに応じてナットをさらに回すことです。
2. キーを校正する。校正済みレンチ方式では、ボルトの張力に関連するトルクを測定します。
3．ねじり式張力調整ボルト。ねじり式張力調整ボルトは、ボルトの頭部とは反対側の端に小さな突起が付いています。必要なトルクに達したら、この突起を緩めます。
4. ストレートプルインデックス。直接張力インジケーターは、タブ付きの特殊なワッシャーです。ラグにかかる​​圧縮量によって、ボルトにかかる張力のレベルが示されます。
分かりやすく言うと、ボルトは、しっかりと締め付けられた接合部においてピンのような役割を果たします。これは、穴の開いた紙の束を真鍮のピンで留めているのとよく似ています。重要な摺動接合部は摩擦によって機能します。予圧によって下向きの力が加わり、接触面間の摩擦が相まって接合部の滑りを防止します。これは、紙に穴を開けるのではなく、バインダーが紙を押し付け、摩擦によって束が固定される、バインダーが紙の束をまとめているのと似ています。
ASTM A325ボルトの最小引張強度は、ボルト径に応じて1平方インチあたり150～120kg（KSI）ですが、A490ボルトは150～170KSI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近い挙動を示しますが、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。
機械的に固定された接合部にせん断力（加えられた力によって一方の部材が他方の部材の上を滑ろうとする力）が加わると、次の2つのうちいずれかが起こり得ます。1つ目は、ボルトやリベットが穴の両側に位置している場合で、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。2つ目は、予張力のかかった締結具の締め付け力によって生じる摩擦力がせん断荷重に耐えられる場合です。この接合部では滑りは想定されませんが、発生する可能性はゼロではありません。
多くの用途において、しっかりとした接続は許容範囲内です。わずかな滑りがあっても、接続部の特性に悪影響を与えることはありません。例えば、粒状材料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。初めて材料を投入する際に、わずかな滑りが生じる可能性があります。しかし、一度滑りが生じても、その後の投入物はすべて同じ性質のものであるため、再び滑りが生じることはありません。
荷重反転は、回転要素に引張荷重と圧縮荷重が交互に加わる場合など、一部の用途で使用されます。別の例としては、完全に反転した荷重を受ける曲げ要素が挙げられます。荷重方向が大きく変化する場合は、周期的な滑りを解消するために、予荷重接続が必要になる場合があります。この滑りは、最終的に細長い穴の滑りをさらに悪化させます。
接合部によっては、多くの荷重サイクルを受けることで疲労が生じる場合があります。これには、プレス機、クレーン支持構造、橋梁の接続部などが含まれます。接続部が逆方向の疲労荷重を受ける場合、滑りが重要な接合部が必要となります。このような条件下では、接合部が滑らないことが非常に重要であるため、滑りが重要な接合部が必要となります。
既存のボルト接合部は、これらの規格のいずれかに準拠して設計および製造することができる。リベット接合部は、密閉性が高いとみなされる。
溶接継手は剛性が高い。一方、はんだ付け継手は扱いが難しい。荷重がかかると滑ってしまうボルト締め継手とは異なり、溶接継手は大きく伸びる必要がなく、加わる荷重を分散させる必要もない。ほとんどの場合、溶接継手とベアリング継手の機械的締結具は同じように変形しない。
溶接を機械的締結具と併用する場合、荷重はより硬い部分を通して伝達されるため、溶接部が荷重のほぼすべてを担い、ボルトとの荷重分担はごくわずかになります。そのため、溶接、ボルト締め、リベット締めを行う際には注意が必要です。仕様。AWS D1 は、機械的締結具と溶接の混在問題を解決します。構造用溶接 - 鋼に関する仕様 1:2000。第 2.6.3 項では、支圧型接合部 (ボルトまたはリベットがピンとして機能する場合) で使用されるリベットまたはボルトについては、機械的締結具は溶接部と荷重を分担するものとはみなされないと規定されています。溶接を使用する場合は、接合部の全荷重を担うようにする必要があります。ただし、一方の要素に溶接され、もう一方の要素にリベットまたはボルト締めされた接続は許可されています。
ベアリング型機械締結具を使用し、溶接を追加する場合、ボルトの耐荷重能力は概して無視される。本規定によれば、溶接部はすべての荷重を伝達するように設計されなければならない。
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力が溶接力よりも高い場合、単独使用も認められています。
この点に関して、3つの基準が一致している。すなわち、ベアリングタイプの機械的締結の可能性と溶接の可能性は相殺されないということである。
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 部接合部で組み合わせることができる状況についても説明しています。左側は溶接、右側はボルト締めです。ここでは、溶接とボルトの合計力を考慮に入れることができます。接続部全体の各部分は独立して動作します。したがって、このコードは 2.6.3 の最初の部分に含まれる原則の例外となります。
先ほど説明した規則は新築建物に適用されます。既存構造物については、条項8.3.7 D1.1において、構造計算の結果、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、既存の静荷重のみをそのリベットまたはボルトに割り当てるべきであると規定されています。
同様の規則では、リベットやボルトが静荷重のみで過負荷状態になる場合、または繰り返し荷重（疲労荷重）を受ける場合は、総荷重を支えるのに十分な母材と溶接部を追加する必要があると規定されている。
構造物が予荷重を受けている場合、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配分は許容範囲内である。しかし、機械的締結具には静荷重しか加えることができない。より大きな滑りを引き起こす可能性のある活荷重は、全荷重に耐えられる溶接部を用いて保護する必要がある。
溶接部は、あらゆる外力荷重または動的荷重に耐えられるものでなければなりません。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。繰り返し荷重下においても、荷重分担は認められません。なぜなら、荷重によって溶接部の永久的な滑りや過負荷が生じる可能性があるからです。
図解。元々ボルトでしっかりと締め付けられていた重ね継手（図2参照）を考えてみましょう。構造に力が加わり、強度を2倍にするために接続部やコネクタを追加する必要があります。図3は、部材を強化するための基本的な計画を示しています。どのように接続すればよいでしょうか？
新しい鋼材を古い鋼材にすみ肉溶接で接合する必要があったため、技術者は接合部にすみ肉溶接を追加することにしました。ボルトはそのまま残っていたため、当初の計画では、余分な力を新しい鋼材に伝え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%が新しい溶接部を通るようにする予定でした。これは許容範囲内でしょうか？
まず、接続に静的負荷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。
この支圧接合部では、溶接部とボルトが荷重を分担するとは考えられないため、指定された溶接部のサイズは、静的荷重と動的荷重の両方を支えるのに十分な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できません。なぜなら、静的荷重がかかっていない状態では、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、静荷重が加わると仮定します。加えて、既存の接続部は既存の恒久荷重を支えるのに十分であると仮定します。この場合、8.3.7項D1.1が適用されます。新しい溶接部は、増加した静荷重および一般的な活荷重に耐えるだけで済みます。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。
一定の荷重がかかっても、接続部はたわみません。むしろ、ボルトが既に荷重を支えています。接続部には若干の滑りが生じています。そのため、溶接を使用することができ、動的荷重を伝達することができます。
「これは許容範囲内か？」という問いへの答えは、負荷条件によって異なります。最初のケース、つまり静的負荷がない場合、答えは否定的です。2番目のシナリオの特定の条件下では、答えは肯定的です。
静荷重が加わったからといって、必ずしも結論を導き出せるわけではありません。静荷重のレベル、既存の機械的接続の適切性、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、結果が変わる可能性があります。
デュアン・K・ミラー医師（医学博士、技術士）、住所：22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199、リンカーン・エレクトリック社溶接技術センター長、ウェブサイト：www.lincolnelectric.com。リンカーン・エレクトリック社は、溶接機器および溶接消耗品を世界中で製造しています。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。
アメリカ溶接協会、550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671、電話 305-443-9353、ファックス 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、ファックス 610-832-9555、ウェブサイト www.astm.org。
アメリカ鉄骨構造協会、One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001、電話 312-670-2400、ファックス 312-670-5403、ウェブサイト www.aisc.org。
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