JP4958487B2 - 摩擦接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦接合構造に関するものである。

従来、梁、柱、筋違等の建築構造物の接続方法としては、高力ボルトを利用した摩擦接合が用いられている。

摩擦接合とは高力ボルトに軸力を導入して接合部材を締め付け、部材間に発生する摩擦力によって部材同士を接続する方法である。
なお、筋違の接合方法としては、以下のようなものが知られている（特許文献１）。
特開２００５-４２５３７号公報

一方、摩擦接合では、摩擦力が接合部の摩擦係数とボルトの軸力に依存する。 しかしながら、建築構造物で使用される鋼材の摩擦接合面は、通常、赤錆面やショットブラスト面等とする処理がされるが、大きな摩擦係数を安定して得ることは困難で、摩擦係数は０．４５に設定されている。従って、大きな摩擦力を得ようとする場合、ボルトの軸力を大きくしなければならない。

そのため、ボルトの本数を増やしたり、ボルトの径を大きくしたりしなくてはならず、接合部が大型化し、コストが高くなるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は小型で低コストの摩擦接合構造を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明は、断面形状が一体で略十字形である第１の部材と、前記第１の部材の、所定の角度で互いに交差する２つの面に接するように各々設けられ、前記角度に対応する角度の頂部を有する三角形断面の４つの接合部材と、前記接合部材のうち、前記十字形のなす角の互いに隣り合わない位置に設けられた前記接合部材同士を、前記第１の部材の前記角に形成された貫通孔を貫通して締結する締結手段と、を具備し、前記第１の部材と前記接合部材の間に生じる摩擦力によって前記第１の部材と前記接合部材を接合することを特徴とする摩擦接合構造である。

前記接合部材は、前記十字のなす角の、互いに隣り合う位置に設けられた２つの接合部材、または４つの接合部材の、前記第１の部材と接合される側とは反対側の端部が連結され、連結された前記端部は、１または複数の略板状の形状に形成され、第１のピン挿入孔を有するピン接合部を有し、前記ピン接合部に対応する１または複数の略板状の形状に形成され、第２のピン挿入孔を有する取付部材と、前記第１のピン挿入孔と前記第２のピン挿入孔を貫通して設けられるピンと、をさらに具備し、前記接合部材の連結された前記端部は、前記ピンにより接合されてもよい。

前記締結手段は高力ボルトである。
前記接合部材は、前記第１の部材と接する面に突起を有してもよい。

本発明では、摩擦接合構造が、断面形状が略十字形である第１の部材と、第１の部材の、十字の交差する面に接するように設けられた４つの接合部材とからなり、４つの接合部材のうち、前記十字のなす角の互いに隣り合わない部材同士を締結する。

本発明によれば、第１の部材に設けられた４つの接合部材のうち、前記十字のなす角の互いに隣り合わない部材同士を締結するため、見かけの摩擦係数を従来の摩擦接合構造よりも大きくすることができ、摩擦接合構造を小型で低コストにすることができる。

以下、図面に基づいて本発明に好適な実施形態を詳細に説明する。
図１は、第１の実施形態に係る摩擦接合構造１を示す斜視図であって、図２は図１のＡ方向矢視図である。

また、図３は図１の接合部材３ａを示す斜視図、図４は図３のＢ−Ｂ断面図である。
さらに、図５は図２の接合部材３ａ付近の拡大図である。

図１および図２に示すように、摩擦接合構造１は第１の部材としての十字形部材２ａおよび第２の部材としての十字形部材２ｂを有している。
十字形部材２ａ、２ｂは、軸方向の断面形状が略十字形の部材であり、互いに交差する面の交差角度は略９０°である。
また、十字形部材２ａ、２ｂの材質は構造用の炭素鋼等である。

十字形部材２ａ、２ｂの、互いに交差する面には接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが設けられている。

図３および図４に示すように、接合部材３ａは、断面が三角形の部材であり、三角形の中心を貫通するようにして、貫通孔８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが設けられている。接合部材３ｂ、３ｃ、３ｄの構造も同様である。

接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、十字形部材２ａ、２ｂの、互いに交差する面の両面に接するようにして設けられている。
接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの材質は十字形部材２ａ、２ｂと同様である。
なお、接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、十字形部材２ａ、２ｂと接する面に突起を有してもよい。

高力ボルト５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは、接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに設けられた貫通孔に挿入され、さらに十字形部材２ａ、２ｂを貫通して設けられている。

そして、接合部材３ａと接合部材３ｃとが、高力ボルト５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄによって締結され、接合部材３ｂと接合部材３ｄとが、高力ボルト７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄによって締結されている。

即ち、接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、十字形部材２ａ、２ｂの十字のなす角の、互いに隣り合わない位置にある部材同士が、締結手段としての高力ボルトによって締結されている。

そして、十字形部材２ａ、２ｂと接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは高力ボルト５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの軸力によって締結され、これによって十字形部材２ａ、２ｂと接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄとの間に発生する摩擦力によって十字形部材２ａ、２ｂと接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが接合している。

このようにして、接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、十字形部材２ａと十字形部材２ｂとを連結している。

ここで、十字形部材２ａ、２ｂと接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの間で発生する摩擦力について説明する。

図５に示すように、高力ボルト５ａが接合部材３ａと十字形部材２ａを締め付けることによって、接合部材３ａと十字形部材２ａの間に垂直抗力１２ａ、１２ｂが生じる。

この垂直抗力１２ａ、１２ｂをＮとし、十字形部材２ａの、交差角度１０をθとすると、接合部材３ａと十字形部材２ａの間の押圧力Ｃとの関係は以下の式で表される。
Ｃ＝２Ｎ・ｓｉｎθ

従って摩擦力をＦとすると、接合部材３ａと十字形部材２ａの見かけの摩擦係数μは以下の式で表される。
μ＝Ｆ／Ｃ＝Ｆ／（２Ｎ・ｓｉｎθ）

μ（Ｆ／Ｃ）はθが小さいほど大きくなるため、第１の実施形態のように２θ＝９０°の時は、平板同士を締結する場合（２θ＝１８０°の場合）と比べ、μは約１．４倍の値になる。

従って、第１の実施形態のように、接合部材３ａを、十字形部材２ａ、２ｂの、互いに交差する面の両面に接するようにしては設け、十字形部材２ａ、２ｂの十字のなす角の、互いに隣り合わない位置にある部材同士を高力ボルトで締結することにより、接合部材３ａと十字形部材２ａ、２ｂの材質や、ボルトの締め付け力、本数を変更することなく、見かけの摩擦係数を大きくすることができる。
なお、接合部材３ａの表面に突起を設けた場合は、突起と十字形部材２ａの間に掘り起こしによる抵抗力が生じるため、みかけの摩擦係数をさらに上昇させることができる

即ち、摩擦接合構造１は、平板同士を締結する従来の摩擦接合構造と比べ、ボルトの本数を減らしたり、ボルトの径を小さくしたりすることができるため、摩擦接合構造１を小型で低コストな構造にすることができる。

このように、第１の実施の形態によれば、摩擦接合構造１は十字形部材２ａ、２ｂおよび十字形部材２ａ、２ｂの十字の交差する面に接するように設けられた接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを有し、接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄのうち、十字のなす角の、互いに隣り合わない位置にある接合部材３ａ、３ｃおよび接合部材３ｂ、３ｄが高力ボルトによって締結されている。

従って、平板同士を締結する場合と比べて見かけの摩擦係数を大きくすることができ、摩擦接合構造１を小型で低コストな構造にすることができる。

次に、第２の実施形態について説明する。
図６は第２の実施形態に係る摩擦接合構造１ａ、１ｂが設けられた構造物１９を示す側面図であって、図７は図６の摩擦接合構造１ａ付近の斜視図、図８は図７のガセットプレート２５ａを示す図である。
また、図９は、図６の筋違２７および筋違２７の他の実施例を示す斜視図である。

なお、第２の実施形態において、第１の実施形態に係る摩擦接合構造１と同様の機能を果たす要素には同一の番号を付し、説明を省略する。

第２の実施形態では、第１の実施形態において、摩擦接合構造１ａ、１ｂを筋違２７と、柱２１ａ、２１ｂ、梁２３ａ、２３ｂを連結するために用いている。

図６に示すように、構造物１９は柱２１ａ、２１ｂを有し、柱２１ａと柱２１ｂの間には梁２３ａ、２３ｂが設けられている。
梁２３ａ、２３ｂの両端部はそれぞれ、柱２１ａ、柱２１ｂに連結されている。

柱２１ｂと梁２３ｂの連結部にはガセットプレート２５ａが設けられている。 同様に、柱２１ａと梁２３ａの連結部にはガセットプレート２５ｂが設けられている。

ガセットプレート２５ａとガセットプレート２５ｂの間には筋違２７が設けられている。
筋違２７の両端は摩擦接合構造１ａ、１ｂを介してガセットプレート２５ａ、２５ｂに連結されている。

図７に示すように、筋違２７の端部は断面形状が略十字形であり、第１の実施形態における十字形部材２ａに相当する。
一方、図８に示すように、ガセットプレート２５ａの端部も断面形状が略十字形であり、第１の実施形態における十字形部材２ｂに相当する。

また、筋違２７およびガセットプレート２５ａの、互いに交差する面には接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ（図示せず）、３ｄ（図示せず）が設けられている。

そして、接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、筋違２７およびガセットプレート２５ａの、十字のなす角の、互いに隣り合わない位置にある部材同士が、締結手段としての高力ボルトによって締結されている。

即ち、筋違２７およびガセットプレート２５ａと接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは高力ボルト５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの軸力によって締結され、これによって十字形部材２ａ、２ｂと接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄとの間に発生する摩擦力によって接合している。

なお、摩擦接合構造１ｂの構造は、摩擦接合構造１ａの構造と同様であるため、説明を省略する。

このように、摩擦接合構造１ａ、１ｂを筋違２７とガセットプレート２５ａ、２５ｂの連結に用いることにより、連結部をより小型で低コストな構造とすることができる。

なお、筋違２７の形状は、少なくとも端部の断面形状が略十字形であればよい。

従って、図９（ａ）に示す筋違２７のように、端部以外の部分が柱体でもよく、あるいは図９（ｂ）に示す筋違２７ａのように、端部以外の部分が板状の形状を有していてもよい。
なお、図９（ｃ）に示す筋違２７ｂのように、全体の断面形状が略十字形でもよい。

このように、第２の実施形態によれば、構造物１９は、筋違２７の両端が摩擦接合構造１ａ、１ｂを介してガセットプレート２５ａ、２５ｂに連結されており、摩擦接合構造１ａの構造は、断面形状が十字形の筋違２７、ガセットプレート２５ａ、２５ｂを接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが連結した構造を有している。

従って、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

次に、第３の実施形態について説明する。
図１０は第３の実施形態に係る摩擦接合構造３１を示す斜視図であって、図１１は図１０の分解斜視図、図１２はクレビス状部材３３ａを示す平面図である。
さらに、図１３は図１０のＤ方向矢視図である。

なお、第３の実施形態において、第１の実施形態に係る摩擦接合構造１と同様の機能を果たす要素には同一の番号を付し、説明を省略する。

第３の実施形態に係る摩擦接合構造３１では、第１の実施形態において、接合部材３ａと接合部材３ｄおよび接合部材３ｂと接合部材３ｃの端部をそれぞれ連結し、クレビス状部材３３ａ、３３ｂとしたものである。

図１０〜図１３に示すように、十字形部材２ａの十字のなす角の、互いに隣り合う位置に設けられた位置にある接合部材、即ち接合部材３ａと接合部材３ｄの端部がピン接合部としての連結部３７ａによって連結され、連結部３７ａには第１のピン挿入孔としてのピン挿入口３９ａが設けられている。
同様に、接合部材３ｂと接合部材３ｃの端部は連結部３７ｂによって連結され、連結部３７ｂにはピン挿入口３９ｂが設けられている。

そして、接合部材３ａ、３ｄと連結部３７ａとでクレビス状部材３３ａを構成している。
同様に、接合部材３ｂ、３ｃと連結部３７ｂとでクレビス状部材３３ｂを構成している。

すなわち、摩擦接合構造３１は、十字形部材２ａと、十字形部材２ａを挟み込むようにして設けられたクレビス状部材３３ａ、３３ｂからなっている。

このような構造にすることにより、接合部を力学的に完全なピン状態とすることができる。また接合部を小さくすることができ、コストを低減することができる。さらに、意匠性に優れた接合部とすることができる。
なお、クレビス状部材３３ａとクレビス状部材３３ｂとは、ピン挿入口３９ａ、３９ｂに図示しないピンを挿入することにより、一体化することができる。

このように、第３の実施形態によれば、摩擦接合構造３１は十字形部材２ａ、および十字形部材２ａの、十字の交差する面に接するように設けられた接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを有し、接合部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄのうち、十字のなす角の、互いに隣り合わない位置にある接合部材３ａ、３ｃおよび接合部材３ｂ、３ｄが高力ボルトによって締結されている。
従って、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

また、第３の実施形態によれば、十字形部材２ａ、２ｂの十字のなす角の、互いに隣り合う位置にある接合部材である、接合部材３ａ、３ｄおよび接合部材３ｂ、３ｃの端部が連結部３７ａ、３７ｂによって連結され、連結部３７ａ、３７ｂにはピン挿入口３９ａ、３９ｂが設けられている。
従って、接合部を力学的に完全なピン状態とすることができる。また接合部を小さくすることができ、コストを低減することができる。さらに、意匠性に優れた接合部とすることができる。

次に、第４の実施形態について説明する。図１４は摩擦接合構造３１ａ、３１ｂが設けられた構造物４１を示す側面図であって、図１５は図１４の摩擦接合構造３１ａ付近の斜視図、図１６は、図１５の分解斜視図である。

なお、第４の実施形態において、第３の実施形態に係る摩擦接合構造３１と同様の機能を果たす要素には同一の番号を付し、説明を省略する。

第４の実施形態では、第３の実施形態において、摩擦接合構造３１ａ、３１ｂを、筋違２７と柱２１ａ、２１ｂ、梁２３ａ、２３ｂに接続するために用いている。

図１４に示すように、柱２１ｂと梁２３ｂの連結部には取付部材としてのガセットプレート４５ａが設けられ、柱２１ａと梁２３ａの連結部にはガセットプレート４５ｂが設けられている。

ガセットプレート４５ａとガセットプレート４５ｂの間には筋違２７が設けられ、筋違２７の両端は摩擦接合構造３１ａ、３１ｂを介してガセットプレート４５ａ、４５ｂに連結されている。

図１５および図１６に示すように、クレビス状部材３３ａ、３３ｂは筋違２７の端部およびガセットプレート４５ａを挟み込むようにして設けられている。
また、ピン４３は、ピン挿入口３９ａ、３９ｂおよびガセットプレート４５ａに設けられた第２のピン挿入孔としてのピン挿入口４０を挿通して設けられている。

なお、摩擦接合構造３１ｂの構造は、摩擦接合構造３１ａの構造と同様であるため、説明を省略する。

このように、摩擦接合構造３１ａ、３１ｂを筋違２７とガセットプレート４５ａ、４５ｂの接合に用いることにより、筋違２７と摩擦接合構造３１ａ、３１ｂのクレビス状部材３３ａ、３３ｂとの接合部を小さくすることができる。また、クレビス状部材３３ａ、３３ｂとガセットプレート４５ａ、４５ｂとが、ピン４３で接合される構造を有しているため、接合部を力学的に完全なピン状態とすることができる。

このように、第４の実施形態によれば構造物４１は、筋違２７の両端が摩擦接合構造３１ａ、３１ｂを介してガセットプレート４５ａ、４５ｂに、ピン４３で接合される構造を有しており、従って、接合部を力学的に完全なピン状態とすることができる。また、接合部を小さくすることができ、コストを低減することができる。さらに、意匠性に優れた接合部とすることができるという、第３の実施形態と同様の効果を奏する。

次に、第５の実施形態について説明する。
図１７は、第５の実施形態に係る摩擦接合構造７１を示す斜視図であって、図１８は図１７の軸方向断面図である。

なお、第５の実施形態において、第１の実施形態における摩擦接合構造１と同様の機能を果たす要素には同一の番号を付し、説明を省略する

第５の実施形態に係る摩擦接合構造７１は、第１の実施形態に係る摩擦接合構造１において、十字形部材の、互いに交差する面の角度を鋭角にしたものである。

図１７および図１８に示すように、摩擦接合構造７１は十字形部材７２ａを有し、十字形部材７２ａの、互いに交差する面には接合部材７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄが設けられている。

接合部材７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄの端部には、ピン接合部としての板状の連結部７９が設けられ、連結部７９が、接合部材７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄを連結している。
連結部７９にはクレビス７６が設けられ、クレビス７６にはピン挿入孔７８が設けられている。

連結部７９およびクレビス７６は、第３の実施形態における連結部３７ａに相当する部材であり、ピン挿入孔７８は、第３の実施形態におけるピン挿入口３９ａに相当する部材である。
また、十字形部材７２ａの端部には鋼管８０が連結されている。

ここで、図１８に示すように、十字形部材７２ａの、互いに交差する面のなす角度７５は鋭角である。
このように、角度７５を鋭角にすることによって、図５に示す角度１０を、第１の実施形態と比べてさらに小さくすることができる。

例えば、第１の実施形態では互いに交差する面のなす角度は９０°であり、見かけの摩擦係数は平面同士を接触させた場合と比べて約１．４倍となったが、角度７５を６０°にすると、見かけの摩擦係数は平面同士を接触させた場合と比べて約２倍となる。

従って、みかけの摩擦係数をさらに上昇させることができ、摩擦接合構造７１をさらに小型の構造にすることができる。

なお、十字形部材７２ａは、鋼製の丸棒、もしくは角棒の側面に角度７５の溝を設けることによって形成される。

このように、第５の実施形態によれば、摩擦接合構造７１は十字形部材７２ａおよび十字形部材７２ａの十字の交差する面に接するように設けられた接合部材７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄを有し、接合部材７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄのうち、十字のなす角の、互いに隣り合わない位置にある接合部材７３ａ、７３ｃおよび接合部材７３ｂ、７３ｄが高力ボルトによって締結されている。

従って、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

また、第５の実施形態によれば、十字形部材７２ａの、互いに交差する面のなす角度７５は鋭角である。
従って、みかけの摩擦係数をさらに上昇させることができ、摩擦接合構造７１をさらに小型の構造にすることができる。

以上、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

摩擦接合構造１を示す斜視図 は図１のＡ方向矢視図 図１の接合部材３ａを示す斜視図 図３のＢ−Ｂ断面図 図２の接合部材３ａ付近の拡大図 摩擦接合構造１ａ、１ｂが設けられた構造物１９を示す側面図 図６の摩擦接合構造１ａ付近の斜視図 図７のガセットプレート２５ａを示す図 図６の筋違２７および筋違２７の他の実施例を示す斜視図 摩擦接合構造３１を示す斜視図 図１０の分解斜視図 クレビス状部材３３ａを示す平面図 図１０のＤ方向矢視図 摩擦接合構造３１ａ、３１ｂが設けられた構造物４１を示す側面図 図１４の摩擦接合構造３１ａ付近の斜視図 図１５の分解斜視図 摩擦接合構造７１を示す斜視図 図１７の軸方向断面図

符号の説明

１…………摩擦接合構造
２ａ………十字形部材
３ａ………接合部材
５ａ………高力ボルト
７ａ………高力ボルト
１９………構造物
２５ａ……ガセットプレート
２７………筋違
３１………摩擦接合構造
３３ａ……クレビス状部材
３７ａ……連結部
４１………構造物
４３………ピン
４５ａ……ガセットプレート
５１………摩擦接合構造
５３ａ……接合部材
５７………突起
６１………摩擦接合構造
６３ａ……接合部材
６５ａ……凸部
６７ａ……溝部
７１………摩擦接合構造
７２ａ……十字形部材
７３ａ……接合部材
７５………角度

Claims (4)

1. 断面形状が一体で略十字形である第１の部材と、
   前記第１の部材の、所定の角度で互いに交差する２つの面に接するように各々設けられ、前記角度に対応する角度の頂部を有する三角形断面の４つの接合部材と、
   前記接合部材のうち、前記十字形のなす角の互いに隣り合わない位置に設けられた前記接合部材同士を、前記第１の部材の前記角に形成された貫通孔を貫通して締結する締結手段と、
   を具備し、
   前記第１の部材と前記接合部材の間に生じる摩擦力によって前記第１の部材と前記接合部材を接合することを特徴とする摩擦接合構造。
2. 前記接合部材は、前記十字のなす角の、互いに隣り合う位置に設けられた２つの接合部材、または４つの接合部材の、前記第１の部材と接合される側とは反対側の端部が連結され、連結された前記端部は、１または複数の略板状の形状に形成され、第１のピン挿入孔を有するピン接合部を有し、
   前記ピン接合部に対応する１または複数の略板状の形状に形成され、第２のピン挿入孔を有する取付部材と、前記第１のピン挿入孔と前記第２のピン挿入孔を貫通して設けられるピンと、
   をさらに具備し、
   前記接合部材の連結された前記端部は、前記ピンにより接合されることを特徴とする請求項１記載の摩擦接合構造。
3. 前記締結手段は高力ボルトであることを特徴とする請求項１記載の摩擦接合構造。
4. 前記接合部材は、前記第１の部材と接する面に突起を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の摩擦接合構造。
   

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