ボルト接合と溶接接合の選択：比較研究

はじめに

ボルト接合と溶接接合は、現代の鋼構造および機械システムにおける2つの主要な組立方法である。この論文では、これらの接続技術を包括的に比較し、それぞれの利点、限界、鉄骨製作と建設における最適な用途を分析します。

鋼構造物の完全性と性能は、基本的に、プレートやプロファイルのような個別のコンポーネントを結合して全体として一体化させる効果に依存しています。これらの重要な接合部における接合方法の選択と実行は、構造品質だけでなく、プロジェクト全体のコスト効率と施工性にも大きく影響します。そのため、接合部の設計は、様々な産業における鋼構造物の成功を左右する極めて重要な役割を担っています。

歴史的に、鋼構造物はコッターピン、ボルト、リベット、溶接を含む多様な接合技術を採用してきた。しかし、材料科学、工学的手法、建設手法の進化により、ある種の手法は廃れつつある。特に、コッターピンとリベットによる接合は、強度、効率、適応性に限界があるため、現代の鉄骨構造では廃止されている。そのため、この分析では、現代の鉄骨製造において支配的な2つの接合タイプ、ボルト接合と溶接接合にのみ焦点を当てます。

本論文は、これらの接続方法を詳細に検討することで、エンジニア、ファブリケーター、プロジェクト・マネージャーに、鉄骨構造の設計と組み立てにおける意思決定プロセスに役立つ貴重な洞察を提供することを目的としている。この比較には、構造性能、施工の容易さ、品質管理、コストへの配慮、さまざまな環境や荷重条件への適合性といった要素が含まれる。

I.溶接接続

溶接接合は、電気アークによって発生する熱を利用し、溶接棒と接合される部品の融合によって形成される。溶けた材料が冷えて固まると、溶接継ぎ目が形成され、別々の部品が一体化した構造になる。

近代的な鉄骨建築では、溶接による接合方法が主流です。手動アーク溶接と自動（または半自動）サブマージアーク溶接が、業界で最も広く採用されている技術である。

メリット

溶接構造には、ボルト接合に比べていくつかの利点がある：

(1) 断面の弱体化の排除：溶接継手には穴あけ加工が不要なため、部品の構造的完全性が保たれる。追加の接続要素がないため、施工が簡素化され、労力と材料の節約につながります。この費用対効果は、溶接継手の最も大きな利点のひとつである。

(2) 強化された構造特性：溶接構造は、優れた密閉性、高い剛性、優れた全体的な完全性を提供する。鋼管間のY字型やT字型接続のような複雑な形状は、ボルト接続や他の接合方法よりも溶接の方が容易に実現できます。

デメリット

溶接継手には、その利点にもかかわらず、ある課題がある：

(1) 熱影響：溶接に伴う高温は、熱影響部（HAZ）の材料 特性を変化させる可能性がある。

(2) 溶接品質に関する懸念：溶接継ぎ目にはさまざまな欠陥があり、溶接部に隣接する母材が局所的に脆化することがある。これらの問題は、応力集中を引き起こし、構造内に亀裂を進展させる可能性がある。

(3) 構造剛性の影響：溶接構造の高い剛性は、組立体全体への亀裂伝 播を促進する可能性がある。この特性は、潜在的な低温脆性と相まって、設計と材料選 択に慎重な配慮を要する。

(4) 残留応力：溶接工程中の不均一な冷却と収縮により、構 造物内に残留応力が発生する可能性がある。これらの内部応力は、荷重下での局部的な早期降伏を引き起こし、圧縮部材の限界座屈応力を低下させる可能性がある。

(5) 幾何学的歪み：溶接中の熱膨張と熱収縮の差は、平らな鋼板に反りなどの残留変形をもたらすことがある。

このような課題を軽減するためには、設計、製造、施工の各段階において予防措置を講じることが極めて重要である。溶接継ぎ目の検査と受入れには、国家標準である「鋼構造工学品質受入れ仕様書」の遵守が不可欠である。

高品質の溶接接続を確保するには、以下を含む包括的なアプローチが必要である：

• 溶接性や使用条件などを考慮した慎重な材料選択
• 応力集中を最小限に抑える最適化された溶接シーム設計
• 強固な溶接手順の開発と実施
• 熟練した有資格溶接工の雇用
• 非破壊検査（NDT）と検査プロトコルの強化

これらの要因に対処することで、脆性溶接欠陥のリスクを大幅に低減することができ、より安全で信頼性の高い溶接鋼構造物につながります。

II.ボルト接続

ボルト接合は、ボルトの一種である "ボルト "を使って部品を一体化するものである。 ファスナー.ボルト接合には、標準ボルト接合と高強度ボルト接合の2種類がある。

1.ボルトの種類

鋼構造物の接合に使用されるボルトは、主に標準ボルトと高力ボルトの2種類に分類される。標準ボルトは、一般的に六角頭が特徴で、A、B、Cの等級があり、それぞれ特徴や用途が異なります。

グレードCのボルトは、一般的にQ235鋼から製造され、熱間圧延丸鋼を利用している。このような粗いボルトは、ボルト穴の加工要件が比較的緩やかであるため、精度がそれほど要求されない標準的なボルト接合に広く採用されている。

対照的に、グレードAとBの標準ボルトは、精密設計されており、ボルトと対応するボルト穴の両方に、より厳しい製造公差が要求されます。品質が高いにもかかわらず、標準ボルトは一般的に、特に予張力を要求されることなく、手動レンチを使って取り付けられます。

鋼構造物の高力ボルトには、特殊な意味があります。その取り付けには、ボルトに所定の予張力がかかるように専用設計されたレンチが使用され、その結果、接続された板の接触面に所定の予圧がかかります。この予張力は、接合部の構造的完全性と耐荷重にとって極めて重要です。

要求されるプレテンション値を達成するために、高強度ボルトは高強度鋼から製造されます。グレードAやBの標準ボルトも高強度鋼で作られている場合がありますが、取り付け方法や予張力の要求がないことから、標準ボルトに分類されることに注意が必要です。

高力ボルトは性能等級に分類され、構造用途では8.8と10.9が最も一般的です。これらのボルトは通常、中炭素鋼または合金鋼から製造され、機械的特性を高めるために熱処理工程（焼き入れと焼き戻し）が施されます。

8.8等級の高強度ボルトは、最低引張強さ（fub）が800N/mm²で、降伏強度比が0.8です。さらにグレードの高い10.9のボルトは、最低引張強度が1000N/mm²、降伏強度比が0.9と、さらに高い強度を誇ります。これらの優れた機械的特性により、高強度ボルトは、高い耐荷重性と耐疲労性が不可欠な重要構造物の接合に最適です。

鋼構造物用のボルトの種類を選択する際、エンジニアは、構造アセンブリの最適な性能と安全性を確保するために、荷重要件、接続タイプ、設置方法、環境条件などの要素を考慮する必要があります。

2.ボルト接続の種類

ボルト接合は、その効率性、簡便性、溶接に比べて必要な技能が低いことから、鋼構造物で好まれている。ボルト接合は、溶接接合に次いで使用頻度が高い。ボルト接合部は、標準ボルト接合部と高強度ボルト接合部に分類され、さらに応力条件に基づいて、耐せん断接合部、耐引張接合部、耐せん断・耐引張複合接合部に分類される。

標準的なボルト接合には、通常、粗ネジボルト（グレードC）が使用される。せん断抵抗は、ボルトシャフトのせん断強度と穴壁の圧縮抵抗によって決まり、引張抵抗はボルトの軸方向の引張耐力によって決まる。これらの接合部は主に、支持部、ラビングストリップ、壁梁、小型トラス、取り外し可能な構造物など、動的荷重を直接受けない二次部材に使用される。ボルトに張力がかかる現場での接合には、引張抵抗に優れているため、一般的に粗ネジボルトが利用される。

細目ボルト（グレードAおよびB）は、高いせん断抵抗を必要とする従来の接続に使用されている。しかし、加工が複雑で、取り付け条件が厳しく（ボルトと穴のクリアランスが最小）、コストが高いため、高強度ボルト摩擦接合に取って代わられることが多い。

高強度ボルトベアリングタイプコネクションは、摩擦タイプコネクションと材料、予圧、取り付け要件を共有している。重要な違いは、究極の耐力メカニズムにあります。摩擦に打ち勝った後、接続されたプレートが相対的に滑り、せん断と穴壁の圧縮によってボルトが破損します。この結果、摩擦接合に比べて高い耐力が得られ、材料の節約が可能になる。しかし、摩擦後のすべり変形により、静的荷重を受ける構造物や間接的に動的荷重を受ける構造物への適用が制限される。表面処理の要件は摩擦接合よりも厳しくなく、油と緩い錆の除去のみが必要です。

ベアリングタイプの接合部は、標準的なボルト接合部と同様の性能を発揮しますが、ボルトシャフトに予圧をかけ、高強度鋼を使用することで、標準的なボルト接合部よりも性能が向上します。このため、摩擦タイプの接合部のような複雑さがなく、より高い耐荷重性が求められる特定の構造用途では、貴重な選択肢となります。

3.ボルト締結の利点と欠点

ボルト締結の利点：

1. シンプルな組み立て：簡単な組み立て工程と効率的な設置が可能で、特にさまざまな環境条件下での現場での組み立てに有利です。
2. 柔軟性：ボルト接続は、分解や再組み立てに優れた適応性を発揮するため、モジュール構造、仮設、頻繁なメンテナンスや交換が必要な部品に最適です。
3. 品質管理：プレハブのボルトとナットは、一貫した強度と信頼性を保証するため、溶接継手に比べて品質保証が容易です。
4. 非破壊接合：溶接とは異なり、ボルト接合は接合部品の材料特性を変化させないため、構造的完全性と耐食性を維持します。

ボルト接続の欠点：

腐食しやすい：ボルトで固定された部品間の界面は、適切に密閉または保護されていない場合、湿気や破片を閉じ込め、腐食を促進する可能性がある。

製造の複雑さが増す：プレートに精密な穴あけ加工が必要で、組み立て時に正確に位置合わせをしなければならない。このため、製造時間、コスト、エラーの可能性が増大する。

より高い精度要求：適切な適合と荷重分布のためには厳しい公差が不可欠であり、加工と組み立ての際にはより厳しい品質管理措置が要求されます。

断面積の減少：ボルト穴は部品の有効断面を弱めるため、耐荷重性を損なう可能性があり、材料の厚みを増すか、補強材を追加することで補う必要がある。

構造の複雑さ：連結された部品は、多くの場合、重なり合うか追加の連結要素（ガセット・プレート、アングル・スチールなど）を必要とし、構造全体の複雑さと材料消費量を増加させる。

メンテナンスボルト接続は、動的負荷や熱サイクルで緩む可能性があるため、定期的な点検と締め直しが必要となる場合があり、継続的なメンテナンス手順が必要となる。

応力集中：ボルト穴は応力集中点を作り、繰り返し荷重を受ける構造物の疲労問題につながる可能性がある。