(57)【要約】【課題】機械式の継手を用いて鋼管を連結するにあたり、鋼管に対する事前の加工を最小限に抑える。【解決手段】鋼管の連結構造１０は、鋼管の内側に挿入される第１部材１１と、第１部材１１の内側に挿入される第２部材１２とを含む。第１部材１１は、外周に形成される摩擦面１１１と、内周に形成される被押圧面１１２とを有する。第２部材１２は、外周に形成され、被押圧面１１２を押圧することによって第１部材１１の外径を鋼管の内径を超えて拡張させる押圧面１２２を有する。【選択図】図１
2018165470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管の内側に挿入される第１部材と、前記第１部材の内側に挿入される第２部材とを含み、
前記第１部材は、外周に形成される摩擦面と、内周に形成される被押圧面とを有し、
前記第２部材は、外周に形成され、前記被押圧面を押圧することによって前記第１部材の外径を前記鋼管の内径を超えて拡張させる押圧面を有する、鋼管の連結構造。
【請求項２】
前記第１部材は、周方向について複数の部分に分割され、前記複数の部分の間に隙間が設けられる、請求項１に記載の鋼管の連結構造。
【請求項３】
前記押圧面および前記被押圧面は、互いに対応する形状を有するテーパー面である、請求項１または請求項２に記載の鋼管の連結構造。
【請求項４】
前記第１部材の内周、および前記第２部材の外周に、互いに対応するねじ形状が形成される、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の鋼管の連結構造。
【請求項５】
前記押圧面と前記被押圧面との間に接着層が形成される、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の鋼管の連結構造。
【請求項６】
前記摩擦面または前記鋼管の内周面が粗面化されている、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の鋼管の連結構造。
【請求項７】
前記摩擦面または前記鋼管の内周面がブラスト処理または金属溶射処理されている、請求項６に記載の鋼管の連結構造。
【請求項８】
前記第１部材は、前記摩擦面の一方の端部から外向きに立ち上がるフランジを有する、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の鋼管の連結構造。
【請求項９】
前記第１部材の外径が前記鋼管の内径を超えて拡張されるときの前記鋼管の拡径量δが、前記鋼管の外径Ｄ、前記鋼管のヤング率Ｅ、前記鋼管の降伏強度σｙ、前記摩擦面と前記鋼管の内周面との間の静止摩擦係数μ、前記鋼管の軸方向での前記摩擦面の長さＬ、および係数α（０＜α≦１）を用いて下記の式（ｉ）によって表される範囲にある、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の鋼管の連結構造。
【数１】
2018165470.tif 000025
【請求項１０】
前記第１部材の外径が前記鋼管の内径を超えて拡張されるときの前記鋼管の拡径量δが、前記鋼管の外径Ｄ、前記鋼管のヤング率Ｅ、および前記鋼管の降伏強度σｙを用いて下記の式（ｉｉ）によって表される範囲にある、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の鋼管の連結構造。
【数２】
2018165470.tif 000026
【請求項１１】
前記第１部材の外径が前記鋼管の内径を超えて拡張されるときの前記鋼管の拡径量δが、前記鋼管の外径Ｄおよび前記鋼管の一様伸びＡＵ（％）を用いた下記の式（ｉｉｉ）、または前記鋼管の外径Ｄおよび前記鋼管の破断時全伸びＡＤ（％）を用いた下記の式（ｉｖ）によって表される範囲にある、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の鋼管の連結構造。
【数３】
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2018165470.tif 000028
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼管の連結構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管には多様な用途があるが、その１つに建築物や土木構造物の構造部材としての用途がある。例えば、杭のような長尺の構造部材を鋼管で構成する場合、短尺の鋼管を現場で連結して長尺の構造部材にすることによって、限られたスペースでの施工が可能になり、現場まで鋼管を運搬することも容易になる。例えば、直径５０ｍｍ〜２００ｍｍ程度の小径鋼管の場合、短尺であれば人力での取り扱いが可能である。
【０００３】
このような場合において、最も一般的な鋼管の連結方法の１つは溶接である。しかしながら、溶接工程には比較的時間がかかり、また技能をもった溶接工が必要とされる。それゆえ、短尺の鋼管を現場で溶接して長尺の構造部材にする工程は、工期や要員計画の点で施工上のボトルネックになりやすい。そこで、現場での溶接工程を必要としない、機械式の継手を用いた鋼管の連結構造が種々提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、それぞれの鋼管の端面に溶接された１対の連結部材を互いに嵌合させることによって、鋼管を機械的に連結する技術が記載されている。この場合、鋼管と連結部材とは工場で溶接できるため、現場での溶接工程は必要とされない。また、特許文献２には、それぞれの鋼管の端部に形成されたフランジに外側から連結部材を係合させることによって、鋼管を機械的に連結する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１４３４６６号公報
【特許文献２】特開２０１５−１３２１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような従来の鋼管の連結構造は、現場での溶接工程を必要としない点で有利である。しかしながら、鋼管に対する事前の加工が必要である点で、従来の鋼管の連結構造には、なおも改善の余地があるといえる。鋼管に対する事前の加工を減らす、またはなくすことができれば、工場での工程を含む工程全体が簡略化されるだけではなく、連結構造をより広範囲に適用可能になるという点でも有利である。
【０００７】
そこで、本発明は、機械式の継手を用いて鋼管を連結するにあたり、鋼管に対する事前の加工を最小限に抑えることが可能な、新規かつ改良された鋼管の連結構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のいくつかの観点によれば、以下が提供される。
［１］鋼管の内側に挿入される第１部材と、第１部材の内側に挿入される第２部材とを含み、
第１部材は、外周に形成される摩擦面と、内周に形成される被押圧面とを有し、
第２部材は、外周に形成され、被押圧面を押圧することによって第１部材の外径を鋼管の内径を超えて拡張させる押圧面を有する、鋼管の連結構造。
［２］第１部材は、周方向について複数の部分に分割され、複数の部分の間に隙間が設けられる、［１］に記載の鋼管の連結構造。
［３］押圧面および被押圧面は、互いに対応する形状を有するテーパー面である、［１］または［２］に記載の鋼管の連結構造。
［４］第１部材の内周、および第２部材の外周に、互いに対応するねじ形状が形成される、［１］〜［３］のいずれか１項に記載の鋼管の連結構造。
［５］押圧面と被押圧面との間に接着層が形成される、［１］〜［４］のいずれか１項に記載の鋼管の連結構造。
［６］摩擦面または鋼管の内周面が粗面化されている、［１］〜［５］のいずれか１項に記載の鋼管の連結構造。
［７］摩擦面または鋼管の内周面がブラスト処理または金属溶射処理されている、［６］に記載の鋼管の連結構造。
［８］第１部材は、摩擦面の一方の端部から外向きに立ち上がるフランジを有する、［１］〜［７］のいずれか１項に記載の鋼管の連結構造。
［９］第１部材の外径が鋼管の内径を超えて拡張されるときの鋼管の拡径量δが、鋼管の外径Ｄ、鋼管のヤング率Ｅ、鋼管の降伏強度σｙ、摩擦面と鋼管の内周面との間の静止摩擦係数μ、鋼管の軸方向での摩擦面の長さＬ、および係数α（０＜α≦１）を用いて下記の式（ｉ）によって表される範囲にある、［１］〜［８］のいずれか１項に記載の鋼管の連結構造。
【数１】
2018165470.tif 000003
［１０］第１部材の外径が鋼管の内径を超えて拡張されるときの鋼管の拡径量δが、鋼管の外径Ｄ、鋼管のヤング率Ｅ、および鋼管の降伏強度σｙを用いて下記の式（ｉｉ）によって表される範囲にある、［１］〜［９］のいずれか１項に記載の鋼管の連結構造。
【数２】
2018165470.tif 000004
［１１］第１部材の外径が鋼管の内径を超えて拡張されるときの鋼管の拡径量δが、鋼管の外径Ｄおよび鋼管の一様伸びＡＵ（％）を用いた下記の式（ｉｉｉ）、または鋼管の外径Ｄおよび鋼管の破断時全伸びＡＤ（％）を用いた下記の式（ｉｖ）によって表される範囲にある、［１］〜［９］のいずれか１項に記載の鋼管の連結構造。
【数３】
2018165470.tif 000005
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【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、機械式の継手を用いて鋼管を連結するにあたり、鋼管に対する事前の加工を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る連結構造の部材を示す概略的な斜視図である。
【図２】図１に示された連結構造による鋼管の連結工程を示す図である。
【図３】図１に示された連結構造に作用する力について説明するための図である。
【図４】本発明の第１実施形態の変形例を示す概略的な断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る連結構造の部材を示す概略的な斜視図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る連結構造の部材を示す概略的な斜視図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る連結構造を示す概略的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る連結構造の部材を示す概略的な斜視図である。図１に示された連結構造１０は、鋼管の内側に挿入される第１部材１１（部分１１ａ，１１ｂ，１１ｃとして図示される）と、第１部材１１の内側に挿入される第２部材１２とを含む。
【００１３】
第１部材１１は、外周に形成される摩擦面１１１と、内周に形成されるテーパー面１１２とを有する。ここで、テーパー面は、部材の径（第１部材１１では内径、第２部材１２では外径）が連結する鋼管の管軸方向に連続的に変化する面を意味する。摩擦面１１１は、鋼管の内周面に対応する形状を有し、第１部材１１が鋼管の内側に挿入されたときに鋼管の内周面に接触する。後述するように、摩擦面１１１には、摩擦力を大きくするための表面処理が施されていてもよい。テーパー面１１２は、第２部材１２のテーパー面１２２によって押圧される被押圧面である。なお、図示された例では、管軸方向（すなわち、鋼管の軸方向）での摩擦面１１１の長さを確保するために、テーパー面１１２に連続して内周にストレート面１１３が形成されている。ここで、ストレート面は、部材の径（第１部材１１では内径）が連結する鋼管の管軸方向に一定である面を意味する。さらに、第１部材１１は、摩擦面１１１の一方の端部から外向きに立ち上がるフランジ１１４を有する。一方、第２部材１２は、全体として棒状または円筒状であるが、外周にはテーパー面１２２が形成される。テーパー面１２２は、第１部材１１のテーパー面１１２を押圧する押圧面である。テーパー面１１２，１２２は、互いに対応する形状を有する。
【００１４】
ここで、第１部材１１は、全体として円筒状であるが、周方向について複数の部分、具体的には３つの部分１１ａ〜１１ｃに分割され、部分１１ａ〜１１ｃのそれぞれの間には所定の隙間が設けられている。このような構造によって、第１部材１１の外径は拡縮自在になる。第１部材１１の内側に第２部材１２を挿入していくと、第２部材１２のテーパー面１２２が第１部材１１のテーパー面１１２を押圧することによって上記の隙間が広がり、第１部材１１の外径が拡張される。このとき、第１部材１１の拡張前の外径は、鋼管の内径に等しいか、鋼管の内径よりも小さい。また、第１部材１１の拡張後の外径は、鋼管の内径よりも大きい。これによって、後述するように、第２部材１２が第１部材１１の内側に挿入されたときに、第１部材１１の摩擦面１１１と鋼管の内周面との間に大きな摩擦力を作用させることができる。
【００１５】
なお、本実施形態において、第２部材１２のテーパー面１２２が第１部材１１のテーパー面１１２を押圧することによって第１部材１１の外径を拡張させた状態は、テーパー面１１２とテーパー面１２２との間に接着層（図示せず）を形成することによって維持される。接着層は、例えばテーパー面１１２，１２２のいずれか、または両方に接着剤を塗布することによって形成される。
【００１６】
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、図１に示された連結構造による鋼管の連結工程を示す図である。図示された例では、１対の第１部材１１（部分１１ａ〜１１ｃおよび部分１１ｄ〜１１ｆ。ただし、部分１１ｃおよび部分１１ｆは図示されていないため、以下ではそれぞれ部分１１ａ，１１ｂおよび部分１１ｄ，１１ｅとして説明する）と、第２部材１２（互いに反対向きに形成されたテーパー面１２２ａ，１２２ｂを有する）とを用いて、１対の鋼管２（鋼管２ａおよび鋼管２ｂ）が連結される。
【００１７】
まず、図２（Ａ）に示すように、鋼管２ａの内側に第１部材１１（部分１１ａ，１１ｂ）を挿入する。このとき、第１部材１１（部分１１ａ，１１ｂ）の外径は、図示されているように鋼管２ａの内径ｄに等しい、またはより小さい。従って、第１部材１１（部分１１ａ，１１ｂ）を鋼管２ａの内側に挿入することは容易である。フランジ１１４が鋼管２ａの端面２ｅに当接することによって、第１部材１１（部分１１ａ，１１ｂ）の管軸方向での位置が固定される。
【００１８】
次に、図２（Ｂ）に示すように、第１部材１１（部分１１ａ，１１ｂ）の内側に第２部材１２を挿入する。このとき、第２部材１２のテーパー面１２２ａが第１部材１１（部分１１ａ，１１ｂ）のテーパー面１１２を押圧することによって、第１部材１１（部分１１ａ，１１ｂ）の外径が拡張される。図示された例では、第２部材１２が所定深さｄｐまで挿入されるまでの間に、第１部材１１（部分１１ａ，１１ｂ）の外径が、鋼管２ａの内径ｄを超えてｄ＋δまで拡張される。なお、δは、鋼管２ａの拡径量である。これによって、第１部材１１（部分１１ａ，１１ｂ）の摩擦面１１１と鋼管２ａの内周面２ｓとの間に大きな摩擦力が作用するようになり、第１部材１１（部分１１ａ，１１ｂ）が鋼管２ａに固定される。
【００１９】
さらに、図２（Ｃ）に示すように、もう一方の鋼管２ｂの内側にも第１部材１１（部分１１ｄ，１１ｅ）を挿入し、その内側に第２部材１２を挿入する。図２（Ｂ）に示した工程と同様に、第２部材１２のテーパー面１２２ｂが第１部材１１（部分１１ｄ，１１ｅ）のテーパー面１１２を押圧することによって、第１部材１１（部分１１ｄ，１１ｅ）の外径が鋼管２ｂの内径ｄを超えて拡張される。これによって、第１部材１１（部分１１ｄ，１１ｅ）の摩擦面１１１と鋼管２ｂの内周面２ｓとの間に大きな摩擦力が作用するようになり、第１部材１１（部分１１ｄ，１１ｅ）が鋼管２ｂに固定される。
【００２０】
図示された例では、鋼管２ａ，２ｂの双方について、内側に挿入された第１部材１１の外径が、鋼管２ａ，２ｂの内径ｄを超えて拡張される。これによって、第１部材１１の摩擦面１１１と鋼管２ａ，２ｂの内周面２ｓとの間に大きな摩擦力を作用させ、第１部材１１を鋼管２ａ，２ｂに固定することができる。また、両方の第１部材１１の内側には共通の第２部材１２が挿入されており、第１部材１１と第２部材１２との間は接着層によって固定されている。このようにして、本実施形態に係る連結構造１０は、鋼管２ａと鋼管２ｂとを連結する。
【００２１】
（第１設計例）
図３は、図１に示された連結構造に作用する力について説明するための図である。図３には、鋼管２の内周面２ｓから第１部材１１の摩擦面１１１に向けて作用する面圧Ｐと、面圧Ｐに伴って発生する鋼管２の軸方向の摩擦力（最大静止摩擦力Ｆ）とが示されている。また、図３には、鋼管２の内径ｄ、外径Ｄおよび肉厚ｔ、ならびに鋼管２の軸方向での第１部材１１の摩擦面１１１の長さＬも示されている。なお、以下の説明では、鋼管２が拡径されても肉厚ｔが変化しないものとする。この場合、鋼管２の内径ｄおよび外径Ｄには同じ拡径量δが発生する。なお、図３および後述する図４では、鋼管２の両側で均等に拡径量δ／２が発生するように示されているが、両側を合わせて拡径量δが発生していれば以下の説明は成り立ち、必ずしも両側で均等な拡径量が発生していなくてもよい。以下では、この拡径量δを条件とする連結構造の第１設計例について説明する。
【００２２】
既に説明した通り、本実施形態では、鋼管２の内側に挿入された第１部材１１の外径が、鋼管２の内径ｄを超えてｄ＋δまで拡張される。このときの拡径量δが適切な範囲にあれば鋼管２は弾性変形する。このとき、第２部材１２によって押圧された第１部材１１の摩擦面１１１と、鋼管２の内周面との間に面圧Ｐが作用する。面圧Ｐに伴って発生する最大静止摩擦力Ｆは、第１部材１１の摩擦面１１１と鋼管２の内周面２ｓとの間の静止摩擦係数μ、面圧Ｐ、および摩擦面１１１と内周面２ｓとの接触面積の積であり、式（１）のように表される。なお、静止摩擦係数μは、例えば、ＪＩＳ  Ｋ７１２５に規定された摩擦係数測定方法に従って測定することができる。
【００２３】
【数４】
2018165470.tif 000007
【００２４】
上記の式（１）から、最大静止摩擦力Ｆは、静止摩擦係数μ、面圧Ｐ、および摩擦面１１１の長さＬに比例して大きくなることがわかる。このうち、静止摩擦係数μの値を大きくするためには、摩擦面１１１および内周面２ｓのいずれか、または両方を粗面化すればよい。粗面化は、具体的には、ブラスト処理、またはアルミニウムもしくは亜鉛の金属溶射処理のような表面処理によって実現することができる。あるいは、第１部材１１または鋼管２が鋳造によって製造される場合、摩擦面１１１および内周面２ｓのいずれか、または両方に鋳肌の粗面を残すことによって、静止摩擦係数μの値を大きくしてもよい。
【００２５】
一方、面圧Ｐは、拡径量δの関数として表すことができる。鋼管２の肉厚ｔが外径Ｄに対して十分に小さいことを仮定すると、鋼管の円周方向の応力をσとして、面圧Ｐについて式（２）が成り立つ。
【００２６】
【数５】
2018165470.tif 000008
【００２７】
ここで、鋼管の外径Ｄに対して拡径量をδとすると、拡径前後の鋼管周長の変化から、円周方向のひずみεcは式（３）のように表すことができる。
【００２８】
【数６】
2018165470.tif 000009
【００２９】
一方、鋼管が降伏しない範囲であればヤング率との関係から円周方向のひずみεcは式（４）のように表すことができる。
【００３０】
【数７】
2018165470.tif 000010
【００３１】
上記の式（３）および式（４）より、式（５）の関係が成り立つ。
【００３２】
【数８】
2018165470.tif 000011
【００３３】
上記の式（２）および式（５）より、面圧Ｐを拡径量δの関数として式（６）のように表すことができる。さらに、式（６）を上記の式（１）に代入すると式（７）が得られる。なお、式（７）以降の式では、鋼管２の肉厚ｔが外径Ｄに対して十分に小さいことから、肉厚ｔの２次の項を切り捨てる近似を用いている。
【００３４】
【数９】
2018165470.tif 000012
2018165470.tif 000013
【００３５】
次に、上記のように算出された最大静止摩擦力Ｆが満たすべき条件を検討する。まず、鋼管２の軸方向の引張に対する全強、すなわち鋼管２自体が軸方向の引張荷重によって降伏するまで連結構造が維持されることを条件にする。この場合、最大静止摩擦力Ｆが対抗すべき最大引張荷重Ｆｍａｘは、鋼管２の軸方向に、鋼管２の降伏強度σｙに等しい応力が作用するときの引張荷重になる。これは、降伏強度σｙに鋼管２の断面積を乗じたものであり、式（８）によって表される。なお、降伏強度σｙは、鋼管２の材料規格が判明している場合はその規格最小降伏強度（ＳＭＹＳ：Specified  Minimum  Yield  Strength）として特定することができる。鋼管２の材料規格が判明しない場合、また材料規格にてＳＭＹＳが規定されていない場合は、例えばＪＩＳ  Ｚ２２４１などに規定された金属の引張試験方法により測定した鋼管２の降伏強度を使用することもできる。
【００３６】
【数１０】
2018165470.tif 000014
【００３７】
上記の式（７）および式（８）より、最大静止摩擦力Ｆが最大引張荷重Ｆｍａｘに対抗できる（Ｆ≧Ｆｍａｘ）という条件は、式（９）のように表される。式（９）を拡径量δについて整理すると、式（１０）が得られる。
【００３８】
【数１１】
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【００３９】
ここで、上記の式（１０）は引張に対する全強を条件としているが、より小さい、必要最小限の引張強度で経済的な設計をすることが求められる場合も多い。そのような場合、必要とされる引張強度が鋼管２の降伏強度σｙに対してασｙ（０＜α≦１）で表されるものとして、上記の式（１０）を式（１１）のように書き換えることができる。
【００４０】
【数１２】
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【００４１】
上記の式（１１）は、本実施形態に係る連結構造１０が、鋼管２の軸方向の引張に対抗して連結を維持するための条件を規定している。つまり、連結構造１０の第２部材１２が第１部材１１の内側に挿入されたときに、鋼管２の拡径量δが上記の式（１１）によって表される範囲にあれば、連結構造１０は鋼管２の軸方向の引張に対抗することができる。
【００４２】
一方、上述のように、本実施形態に係る連結構造１０は、拡径量δが鋼管２の内径ｄおよび外径Ｄに対して小さく、鋼管２が弾性変形することを前提にして設計されている。つまり、拡径量δが大きすぎ、鋼管２が周方向に降伏して塑性変形した場合には、面圧Ｐはむしろ小さくなり、連結の維持は困難になる。従って、上記の式（１１）によって拡径量δの下限値を規定するのに加えて、鋼管２が周方向に降伏しないための拡径量δの上限値を規定することは有用である。
【００４３】
鋼管２の周方向に作用する応力σ（径方向に作用する応力に等しいと近似される）と面圧Ｐとの関係は、上記の式（２）によって既に示されている。ここで、鋼管２が周方向に降伏する直前の応力σは、鋼管２の降伏強度σｙに等しいと考えられる。それゆえ、鋼管２が周方向に降伏する直前の面圧Ｐｍａｘは、式（２）において応力σを置き換えることによって、式（１２）のように表される。
【００４４】
【数１３】
2018165470.tif 000018
【００４５】
上記の式（６）および式（１２）より、鋼管２が周方向に降伏しない（Ｐ≦Ｐｍａｘ）という条件は、式（１３）のように表される。式（１３）を拡径量δについて整理すると、式（１４）が得られる。
【００４６】
【数１４】
2018165470.tif 000019
2018165470.tif 000020
【００４７】
上記の式（１４）は、本実施形態に係る連結構造１０が、鋼管２を周方向に降伏させないための条件を規定している。つまり、連結構造１０の第２部材１２が第１部材１１の内側に挿入されたときに、鋼管２の拡径量δが上記の式（１４）によって表される範囲にあれば、鋼管２は弾性変形し、想定されているような面圧Ｐおよび摩擦力が作用する。
【００４８】
以上の検討をふまえた連結構造１０の第１設計例を、表１に示す。下記の例では、外径Ｄが１１４．３ｍｍ（呼び径１００Ａ）、ヤング率Ｅが２０５．８ＧＰａ（２０５．８×１０３Ｎ／ｍｍ２）の鋼管２について、上述した静止摩擦係数μ、長さＬ、係数α、および降伏強度σｙを変数として、連結構造１０を設計している。それぞれの設計は、上記の式（１１）および式（１４）を満たす拡径量δの範囲の広さによって評価される。なお、表において、δｍｉｎは式（１１）によって算出される拡径量δの下限値を示し、δｍａｘは式（１４）によって算出される拡径量δの上限値を示す。拡径量δの許容範囲（δｍａｘ−δｍｉｎ）が広いほど、例えば部材加工や施工における誤差を許容することができるという点で有利である。
【００４９】
【表１】
2018165470.tif 000021
【００５０】
例１〜例４では、降伏強度σｙが２３５Ｎ／ｍｍ２である通常の鋼管２を用いる。例１では、鋼管２の内周面２ｓおよび第１部材１１の摩擦面１１１の粗面化を実施せず（静止摩擦係数μ＝０．３）、長さＬを外径Ｄの２倍（２２８．６ｍｍ）とし、引張に対する全強（α＝１）を条件とした。この場合、設計は可能であるものの、拡径量δの許容範囲（δｍａｘ−δｍｉｎ）が狭く（０．０２２ｍｍ）、部材加工や施工における誤差がほとんど許容されない。
【００５１】
これに対して、例２では、長さＬを外径Ｄの３倍（３４２．９ｍｍ）に延伸した。これによって、同じ拡径量δに対して発生する最大静止摩擦力Ｆが大きくなり、拡径量δの下限値δｍｉｎが小さくなる結果、拡径量δの許容範囲（δｍａｘ−δｍｉｎ）が例１と比較して３倍近くまでに拡大した（０．０５８ｍｍ）。
【００５２】
また、例３では、長さＬは外径Ｄの２倍（２２８．６ｍｍ）のままで、粗面化によって静止摩擦係数μを０．３から０．７に上昇させた。これによって、例２の場合と同様に最大静止摩擦力Ｆが大きくなり、拡径量δの下限値δｍｉｎが小さくなる結果、拡径量δの許容範囲（δｍａｘ−δｍｉｎ）が例１と比較して４倍近くまで拡大した（０．０８４ｍｍ）。
【００５３】
なお、静止摩擦係数μが０．７である場合、例４のように、長さＬを外径Ｄの１．５倍（１７１．５ｍｍ）まで短縮しても、拡径量δの許容範囲（δｍａｘ−δｍｉｎ）が例１と比較して３倍以上ある（０．０６８ｍｍ）。このことから、静止摩擦係数μの上昇が設計の自由度を高めるために効果が高いことがわかる。
【００５４】
例５では、長さＬおよび静止摩擦係数μは例１と同じである一方で、引張に対する全強を要求せず、その７５％の引張強度でよいことにした（α＝０．７５）。これによって拡径量δの下限値δｍｉｎが小さくなる結果、拡径量δの許容範囲（δｍａｘ−δｍｉｎ）が例１と比較して２倍以上に拡大した（０．０４９ｍｍ）。
【００５５】
一方、例６では、鋼管２を高強度化した結果、降伏強度σｙが３１５Ｎ／ｍｍ２になっている。そうすると、拡径量δの上限値δｍａｘが大きくなるが、下限値δｍｉｎも同様に大きくなるため、拡径量δの許容範囲（δｍａｘ−δｍｉｎ）は例１と同程度に狭い（０．０２９ｍｍ）。これをふまえ、例７では、要求される引張強度が鋼管２を高強度化しない場合（例１）と同程度になるように係数αの値を調節した（α＝０．７５）。この結果、下限値δｍｉｎを例１と同程度に維持し、拡径量δの許容範囲（δｍａｘ−δｍｉｎ）を広げることができた（０．０６６ｍｍ）。
【００５６】
上記の例のように、鋼管２の拡径量δを考慮して設計することによって、鋼管２の軸方向の引張に対抗して連結を維持し、かつ鋼管２を周方向に降伏させない連結構造１０を、部材加工や施工における誤差を可能な限り許容しながら実現させることができる。
【００５７】
（第２設計例）
以下では、図３に示された拡径量δを条件とする連結構造１０の第２設計例について説明する。上記の第１設計例では鋼管２を周方向に降伏しない、すなわち弾性変形の範囲内で拡径させることを条件として拡径量δの条件を決定したが、当業者には知られているように、金属材料は弾性変形の範囲を超えて変形しても直ちに破断することはなく、塑性変形の範囲でもある程度までは部材の各部で一様に変形する。つまり、鋼管２が塑性変形する場合も、変形量がある程度に達するまでは弾性変形の範囲と同様に面圧Ｐおよび摩擦力が発生し、連結構造１０を維持することが可能である。ただし、さらに塑性変形が進むと、一様ではない塑性変形、具体的には鋼管２の周方向の一部がくびれるような変形が生じ、破断の可能性が高まるのに加えて第１部材１１との接触面積が減少するため、連結構造の維持が困難になる。第２設計例では、上記のような連結構造１０を維持可能な塑性変形の範囲を考慮して拡径量δの許容範囲を拡張する。
【００５８】
連結構造１０を維持可能な塑性変形の範囲は、例えばＪＩＳ  Ｇ０２０２、およびＪＩＳ  Ｚ２２４１において一様伸び（最大試験力時塑性伸び）として定義されている。伸び（変形量）が弾性変形の範囲を超えても、一様伸びまでは、非線形ではあるものの伸びが拡大するにつれて応力も増大し、鋼管２は周方向についてほぼ一様に変形するため、上記のように連結構造１０を維持することが可能である。従って、連結構造１０を維持可能な塑性変形の範囲に対応する拡径量δの条件は、鋼管２の外径をＤ、一様伸びをＡＵ（％）として以下の式（１５）で表現される。
【００５９】
【数１５】
2018165470.tif 000022
【００６０】
ところで、実際に供給される鋼管２では、鋼材検査証明書（ミルシート）に記載される引張試験値として、一様伸びＡＵよりも、同じくＪＩＳ  Ｇ０２０２、およびＪＩＳ  Ｚ２２４１で定義されている破断時全伸びの方が一般的である。例えば、鋼管２の製品情報として破断時全伸びだけが利用可能である場合、ＪＩＳ  Ｚ２２４１に規定されるような方法で一様伸びＡＵを実測してもよいが、簡便な代替手段として、破断時全伸びをＡＤ（％）として以下の式（１６）を用いてもよい。
【００６１】
【数１６】
2018165470.tif 000023
【００６２】
上記の式（１６）は、例えば岩田善裕らによる「鋼材の素材引張試験における一様伸びと破断伸びの関係」（日本建築学会構造系論文集、第７８巻、６８３号、２２３−２３２頁、２０１３年１月）などに記載の知見に基づく。上記文献では材料の強度に応じて一様伸びと破断時全伸びの大小関係が異なることが記載されている。例えば、引張強度５００Ｎ／ｍｍ２級の材料では一様伸びＡＵが破断時全伸びＡＤの１／２程度だが、引張強度８００Ｎ／ｍｍ２級の材料では一様伸びＡＵが破断時全伸びＡＤの１／６程度まで減少する場合がある。上記の式（１６）では、これらの知見を踏まえ、ほぼ確実に一様伸びＡＵよりも小さくなる値として破断時全伸びＡＤの１／１０とした。
【００６３】
以上の検討をふまえた連結構造１０の第２設計例を、表２に示す。下記の例では、外径Ｄが１１４．３ｍｍ（呼び径１００Ａ）、ヤング率Ｅが２０５．８ＧＰａ（２０５．８×１０３Ｎ／ｍｍ２）の鋼管２について、図３に示した長さＬを２２８．６ｍｍ、式（１１）の係数αを１とし、静止摩擦係数μ、降伏強度σｙを変数として、一様伸びＡＵおよび破断時全伸びＡＤに基づいて連結構造１０を設計している。なお、表において、δｍｉｎは式（１１）によって算出される拡径量δの下限値を示し、δｍａｘは式（１５）（一様伸びＡＵの値が示されている場合）または式（１６）（破断時全伸びＡＤの値が示されている場合）によって算出される拡径量δの上限値を示す。既に述べたように、拡径量δの許容範囲（δｍａｘ−δｍｉｎ）が広いほど、例えば部材加工や施工における誤差を許容することができるという点で有利である。
【００６４】
【表２】
2018165470.tif 000024
【００６５】
上記の例では、鋼管２を高強度化した結果、降伏強度σｙが４６０Ｎ／ｍｍ２になり、それに伴って一様伸びＡＵおよび破断時全伸びＡＤの値が変化した場合（例１０、例１１、例１４、例１５）、および粗面化によって静止摩擦係数μを０．３から０．７に上昇させた場合（例１２〜例１５）についても設計を実施したが、いずれの場合においても、拡径量δの許容範囲（δｍａｘ−δｍｉｎ）が上記の設計例１の場合と比べて大幅に拡大した。例えば、ＪＩＳ  Ｇ３４４４に規定されている鋼管の外径製造公差のうち、１号公差は±１％のため、鋼管２の外径Ｄが１１４．３ｍｍの場合には±１．１４３ｍｍのばらつきが許容されることになる。拡径量δの許容範囲（δｍａｘ−δｍｉｎ）の大きさは、いずれもこのばらつきの範囲よりも大きい。従って、設計例２では通常の製造公差で製造された鋼管を用いて連結構造１０を構成することが可能である。
【００６６】
（変形例）
図４は、本発明の第１実施形態の変形例を示す概略的な断面図である。図４に示された連結構造では、第１部材１１の内周にストッパー１１５が設けられる。図示された例において、ストッパー１１５は第１部材１１のテーパー面１１２に接するストレート面１１３に設けられ、第１部材１１の内側に挿入された第２部材１２の端面１２５に当接する。ストッパー１１５は、例えば、管軸方向に延びる線状の突出部として形成されてもよいし、周方向に延びる環状の突出部として形成されてもよい。
【００６７】
このようなストッパー１１５を設けることによって、第２部材１２の第１部材１１への挿入深さを規制することができる。より具体的には、例えば、図示されているように、第２部材１２が第１部材１１の内側に所定深さｄｐまで挿入されたときに、ストッパー１１５が端面１２５に当接するように第１部材１１および第２部材１２を設計する。これによって、実際の拡径量δを上述したような適切な範囲に制御することが容易になる。
【００６８】
なお、第２部材１２の第１部材１１への挿入深さを規制するための手段は、上述したストッパー１１５には限られない。例えば、第２部材１２にストッパーが設けられてもよい。具体的には、第２部材１２の中央部、すなわちテーパー面１２２の底部から外側に立ち上がり、第１部材１１のフランジ１１４に当接するフランジが設けられてもよい。また、挿入深さを規制する以外の手段として、第２部材１２の表面に適切な挿入深さを示す基準線を引いたり、第２部材１２を第１部材１１に挿入するときの推進力を管理したりすることによって、拡径量δを適切な範囲に制御してもよい。
【００６９】
以上で説明した本発明の第１実施形態に係る連結構造１０によれば、第１部材１１の摩擦面１１１と鋼管２の内周面２ｓの間に作用する摩擦力によって鋼管２の連結が維持される。この場合、鋼管２の端面に連結部材を溶接したり、鋼管２に開孔やフランジを形成したりすることは必要ではない。上記の実施形態では、鋼管２に対する事前の加工が、内周面２ｓの粗面化を除いて必要とされず、また内周面２ｓの粗面化も省略可能である。従って、上記の実施形態では、鋼管２を連結するにあたり、鋼管２に対する事前の加工を最小限に抑えることができる。
【００７０】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係る連結構造の部材を示す概略的な斜視図である。図５に示された連結構造２０は、第１部材２１（部分２１ａ〜２１ｃとして図示される）と、第２部材２２とを含む。第１実施形態に係る連結構造１０との相違として、第１部材２１では、テーパー面１１２にねじ山２１６が形成される。一方、第２部材２２では、テーパー面１２２にねじ溝２２６が設けられる。それ以外について、本実施形態に係る連結構造２０は、第１実施形態に係る連結構造１０と同様の構成を有する。
【００７１】
本実施形態において、第１部材２１のねじ山２１６と、第２部材２２のねじ溝２２６とは、互いに対応するねじ形状である。このようなねじ形状が設けられることによって、第２部材２２または第１部材２１の管軸回りの回転力を、第２部材２２を第１部材２１に挿入するときの推進力に変換することができる。それゆえ、本実施形態では、鋼管の内側に挿入された第１部材２１の内側に第２部材２２を挿入し、さらに第２部材２２を管軸回りに回転させる。これによって、第２部材２２を第１部材２１の内側に挿入してテーパー面１２２にテーパー面１１２を押圧させ、結果として第１部材１１の外径を拡張させることができる。なお、このとき、第２部材２２の代わりに、または第２部材２２とともに、第１部材１１および鋼管が回転させられてもよい。
【００７２】
また、本実施形態では、第２部材２２のテーパー面１２２が第１部材２１のテーパー面１１２を押圧して第１部材２１の外径を拡張させた状態を、ねじ山２１６とねじ溝２２６との間に作用する摩擦力によって維持することができる。従って、本実施形態では、必ずしも第２部材２２のテーパー面１２２と第１部材２１のテーパー面１１２との間に接着層を形成しなくてもよい。ただし、例えばねじの緩みを防止するなどの目的で、テーパー面１２２とテーパー面１１２との間に接着層を形成してもよい。
【００７３】
さらに、本実施形態では、第１部材２１のフランジ１１４側に位置するねじ山２１６の終端と、第２部材２２の中央側に位置するねじ溝２２６の終端とが、互いに当接するように形成されてもよい。これによって、第２部材２２の第１部材２１への挿入深さを規制することができる。あるいは、上記の第１実施形態の変形例に係る連結構造のように、第１部材２１のストレート面１１３に設けられるストッパーなどの手段によって挿入深さを規制し、それによって拡径量δを適切な範囲に制御してもよい。
【００７４】
（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態に係る連結構造の部材を示す概略的な斜視図である。図６に示された連結構造３０は、第１部材３１（部分３１ａ〜３１ｃとして図示される）と、第２部材３２とを含む。第１実施形態に係る連結構造１０との相違として、第１部材３１では、内周にテーパー面３１２とストレート面３１３とが形成され、ストレート面３１３にねじ山３１６が形成される。一方、第２部材３２では、外周にテーパー面３２２とストレート面３２３とが形成され、ストレート面３２３にねじ溝３２６が形成される。それ以外について、本実施形態に係る連結構造３０は、第１実施形態に係る連結構造１０と同様の構成を有する。
【００７５】
本実施形態において、第１部材３１のテーパー面３１２は被押圧面であり、押圧面である第２部材３２のテーパー面３２２によって押圧される。上記の第１実施形態と同様に、第１部材３１の内側に第２部材３２を挿入していくと、第２部材３２のテーパー面３２２が第１部材３１のテーパー面３１２を押圧することによって第１部材３１の外径が拡張される。また、第１部材３１のねじ山３１６と、第２部材３２のねじ溝３２６とは、互いに対応するねじ形状である。上記の第２実施形態と同様に、このようなねじ形状によって、第２部材３２または第１部材３１の軸回りの回転力が、第２部材３２を第１部材３１に挿入するときの推進力に変換される。また、第２部材３２のテーパー面３２２が第１部材３１のテーパー面３１２を押圧して第１部材３１の外径を拡張させた状態を維持することができる。
【００７６】
さらに、本実施形態では、第１部材３１のテーパー面３１２とストレート面３１３との間にステップ３１５が形成され、第２部材３２のテーパー面３２２とストレート面３２３との間にステップ３２５が形成される。このステップ３１５，３２５を互いに当接するように形成することによって、第２部材３２の第１部材３１への挿入深さを規制することができる。あるいは、上記の第１実施形態の変形例に係る連結構造のように、第１部材３１のストレート面３１３に設けられるストッパーなどの手段によって挿入深さを規制し、それによって拡径量δを適切な範囲に制御してもよい。
【００７７】
上記の第２実施形態に係る連結構造２０と本実施形態に係る連結構造３０とを比較すると、第１部材の内周、および第２部材の外周に、互いに対応するねじ形状が形成される点は共通している。一方で、連結構造２０ではねじ形状が押圧面および被押圧面（テーパー面１１２，１２２）に形成されたのに対し、連結構造３０ではねじ形状が押圧面および被押圧面とは異なる面（ストレート面３１３，３２３）に形成される点は異なる。別の表現をすれば、連結構造２０では押圧面および被押圧面とねじ形状とが管軸方向について重複しているのに対して、連結構造３０では押圧面および被押圧面とねじ形状とが管軸方向について分離されている。第２実施形態と第３実施形態とは、例えば、ねじ形状の加工条件などによって使い分けられる。
【００７８】
（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態に係る連結構造を示す概略的な断面図である。図７に示された連結構造４０は、上記の第１実施形態と同様の第１部材１１（部分１１ａ〜１１ｃおよび部分１１ｄ〜１１ｆを含む。ただし部分１１ｃおよび部分１１ｆは図示されていない）と、第２部材４２とを含む。第２部材４２は、管軸方向に貫通する中空部分４２７を含む。それ以外について、第２部材４２の構成は第１実施形態に係る第２部材１２と同様である。
【００７９】
鋼管を構造部材として施工する際、鋼管内部をモルタルや水などの流体、あるいはドリル等の施工器具が通過する場合がある。そのような場合は図７に示すように第２部材４２に中空部分４２７を設けることで、上記のような流体や器具が連結構造を通過することが可能になる。なお、同様の中空部分を、第２実施形態および第３実施形態において第２部材２２，３２に設けることも可能である。
【００８０】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、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、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００８１】
例えば、上記の実施形態では、第１部材を３つの部分に分割し、３つの部分の間に所定の隙間を設けることによって外径の拡張を可能にした。他の実施形態では、第１部材を２つ、または４つ以上の部分に分割し、各部分の間に所定の隙間を設けることによって外径の拡張を可能にしてもよい。さらに他の実施形態では、第１部材を単一の部分から構成してもよい。この場合、例えば、第１部材に周方向について伸縮可能な継手構造を設けることによって外径の拡張を可能にしてもよい。あるいは、第１部材を管軸方向のスリットを含むＣ形断面で形成し、第２部材が挿入されたときにはスリットが広がるように弾性変形させることによって外径の拡張を可能にしてもよい。
【符号の説明】
【００８２】
１０，２０，３０，４０…連結構造、１１，２１，３１…第１部材、１１１…摩擦面、１１２，３１２…テーパー面、１１４…フランジ、１１５…ストッパー、２１６，３１６…ねじ山、１２，２２，３２，４２…第２部材、１２２，３２２…テーパー面、２２６，３２６…ねじ溝、４２７…中空部分、２…鋼管、２ｅ…端面、２ｓ…内周面。
【図１】
2018165470.tif 000029
【図２】
2018165470.tif 000030
【図３】
2018165470.tif 000031
【図４】
2018165470.tif 000032
【図５】
2018165470.tif 000033
【図６】
2018165470.tif 000034
【図７】
2018165470.tif 000035