超高耐久性メカニカルファスナーによる鋼構造物メンテナンスの改善

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本研究の目的は，突出部が一切ない砂時計型形状のメカニカルファスナー（Double Spindle Fastener: DSF）を開発することであり，①皿型形状を両端に有する超高耐久性メカニカルファスナーの開発，②試作ファスナーおよびそれによる摩擦接合継手の耐荷性・防食性・疲労耐久性の評価，③実構造への適用，の3つの課題を解決することで達成される．DSFはファスナー内部にねじ部を有しており，呼び径よりも有効径が小さい構造となる．そのため，F8T-M22高力ボルトと同等の締結性能を確保するために引張強度が1400 MPaを超える高強度材料が必要となる．一方，高強度材料の使用には遅れ破壊の防止が必要条件であり，ねじ部の応力集中の改善が要求される．2021年度までは，ねじ部を詳細にモデル化した数値解析およびDSF用ナットの締付解析より，ねじ開き角度は55 ~ 60°，皿型形状のナットのねじ部を貫通式と決定し，DSFを高力皿型ボルトと高力皿型ナットで構成することとした．2022年度は，試作DSFを製作して，DSF自体の引張試験・締付試験・DSFを用いた摩擦接合継手の引張数値解析を実施した．引張試験の結果，DSFは皿型ボルト側で破断し，その最大荷重は既存の高力六角ボルト用の設計耐力で安全側に評価できることがわかった．締付試験では，導入トルク-導入軸力-回転角-頭部ひずみの関係を整理し，トルク係数よりも回転係数（軸力―回転角関係の傾き）が安定していることを確認し，DSFの軸力管理法には回転角法を採用することととした．DSFを用いた2面摩擦接合継手の引張数値解析では，DSFの締付軸力がざぐり面から伝達されることで接合面の接触圧分布が拡大し，継手端部の離間が抑制された．また，DSF継手のすべり係数は，高力六角ボルト・皿型高力ボルト継手のそれよりも低下しないことを確認した．