広島工業大学紀要研究編
第 56 巻（2022）69-76

論文

高力ボルト摩擦接合の繰り返し大変位下における鋼材表面の状態変化と滑り係数に関する研究
中村亮太＊・山西央朗＊＊・小松真吾＊＊＊・松田頼征＊＊＊＊（令和 3 年11月 5 日受付）

A study on surface-condition changed and slip-coefficient subjected to cyclic loading oflarge displacement for High-strength-bolt friction joint.
Ryota NAKAMURA, Teruaki YAMANISHI, Shingo KOMATSU, Yoriyuki MATSUDA（Received Nov. 5, 2021）

Abstract
Contact points between two solids are very small we can’t make a sight in Figure 1. We focus onproperty of High-strength-bolt friction joint, and we propose Beam-Joint-Plastic-Hinge. We examine
whether it correspond to Generalized Plastic Hinge. Beam-Joint-Plastic-Hinge is rolling mechanism
utilizing slip behavior of High-strength-bolt friction joint, and its forming condition is slipping
largely without transitioning bearing-type connection. When cycle large displacement occurs acting
large tightening force by High-strength-bolt, surface asperity of friction surface will be broken. This
is why state of steel material surface and slip-coefficient will be changed by repeated slip behavior.
Plastic-Hinge-Moment which is defined as the moment at the joint when Beam-Joint-Plastic-Hinge
is formed, is affected by slip-coefficient. We investigated relationship between state change of steel
material surface and slip-coefficient through slip experiment. And disclosed the frictional surface
which contribute to improve the evaluation precision of Plastic-Hinge-Moment.
Key Words: slip-coefficient, High-strength-bolt friction joint, changing of surface-condition

られてきた。代表的なものとして、摩擦力は固体表面突起１ ．はじめにの噛み合いによる抵抗力であると主張する「凹凸説」や、

1 - 1．摩擦力について

真実接触部において生じる凝着

図 1 に示すように 2 つの固体同士は我々が視覚すること結合をせん断するために必要なができない大きさの表面突起同士が接触（真実接触）して力であると主張する「凝着説」

いる 1 ）。真実接触部の面積は非常に小さいため、接触点になどがある 1 ）。また、近年は計おける圧力はかなり大きい。さらに、真実接触部では、表測機器の発達から、原子・分子面の原子同士で結合力（凝着力）が発生し凝着結合している。

スケールからの摩擦現象の研究

摩擦の起因については、近世以降から様々な研究が進め＊

広島工業大学大学院 建設工学専攻
広島工業大学 建築工学科 准教授＊＊＊
島根大学 建築デザイン学科 助教＊＊＊＊
工学院大学 建築学科 助教＊＊― 69 ―

図1

固体表面の真実接触

中村亮太・山西央朗・小松真吾・松田頼征（a）高力ボルト摩擦接合

図2

高力ボルト摩擦接合と stick-slip 現象（b）荷重 - 滑り量関係概念図が可能となった。実際に真実接触点の形成、および、接触鋼材表面の状態が変化し、滑り係数に影響を与えると考え荷重が大きくなるほど真実接触面積も大きくなることがいられる。梁継手塑性ヒンジ形成時の継手耐力（塑性ヒンジくつかの方法で確認されている。さらに、接触する 2 つのモーメント）は、滑り係数が直接影響するため、塑性ヒン物体の間で、実際に凝着が起こっていることも実験的に確

ジモーメントの評価精度向上には、滑り係数が評価でき、かめられている。以上のことから、今日では、凝着説が摩変動が大きくないことが条件となる 3 ）。

擦の主な原因であると考えられている 2 ）。

本研究の目的は、滑り実験により鋼材表面の状態変化と摩擦面の状態は、物体の表面で起こる現象に支配され、滑り係数の関係を追跡し、塑性ヒンジモーメントの評価精外界からの影響を受ける非常に複雑なものである。それ度向上に寄与する摩擦面処理を明らかにすることである。

故、摩擦面の状態解明に関して未解決な点が多く、現在も2 ．実験方法研究が進められている。

図 3 に示すセットアップで滑り実験を行う。載荷制御は
1 - 2．研究目的

手動の油圧ポンプにより行い、速度は弾性域では100kN/

高力ボルト摩擦接合における荷重 - 滑り量関係は、滑りmin、滑り挙動時には 1 mm/min 程度である。母材に PL-耐力に達するまでの滑り量が非常に小さい。また、滑り耐19、添え板に PL-12を用い、2 面摩擦とした。図 3（b）に示力到達後には、荷重がほぼ増大することなく stick-slip をすように上側の配置ボルトを少なくすることで、滑り挙動生じながら滑り量が増大する（図 2 参照）。この摩擦接合を繰り返し発生させる。ボルト軸部とボルト孔内壁が接触がもつ剛塑的挙動に着目し、著者等は、梁継手塑性ヒンジすることを防ぐため、母材の上側のみ長孔加工した（図 3を提案しており、一般化塑性ヒンジとの対応を吟味して（a）参照。）。また、①表面状態（N：無処理、S：発錆処理、3）いる 。梁継手塑性ヒンジは高力ボルト摩擦接合の滑り挙

表2動を利用した回転機構であり、支圧接合に移行することな素材特性く大きな滑り量を実現することが条件となる。そこで、高力ボルトの締め付け力が作用した条件下で繰り返し大変位が生じる際、摩擦面では表面突起が破壊されながら変位すると考えられる。したがって、繰り返し滑り挙動によって
表1

試験体変数および滑り係数の実験結果（a）試験体母材形状（b）試験体セットアップ
図3― 70 ―試験体セットアップ

ンダー処理、 : ショットブラスト処理)②初期ボルト軸力示す。
T0(0.9Ty、0.5Ty、0.2Ty) を変数として実験を行う。試験体ナンT0(0.9Ty、0.5Ty、0.2Ty) を変数として実験を行う。試験体ナン 無処理
バーと変数を表 1 に示す。また、素材特性を表 2 に示す。
バーと変数を表 1 に示す。また、素材特性を表 2 に示す。 0.8 程
計測する物理量は、荷重 P、滑り量 、およびボルト軸力 T計測する物理量は、荷重 P、滑り量 、およびボルト軸力 T の損耗
高力ボルト摩擦接合の繰り返し大変位下における鋼材表面の状態変化と滑り係数に関する研究とした。また、滑り耐力比（滑り荷重 / フランジの降伏軸力）とした。また、滑り耐力比（滑り荷重 / フランジの降伏軸力） 静的載
0.03 ~ 0.28 で実施した。
は、実験結果より
G：ディスクグラインダー処理、B：ショットブラスト処理）
は、実験結果より 0.03 ~ 0.28 で実施した。
態を確
3．滑り係数
3 評価式②初期ボルト軸力 T 0 （0.9Ty、0.5Ty、0.2Ty）を変数と3 評価式
った。
実験結果から得る滑り係数  は次の式で求める。
して実験を行う。試験体ナンバーと変数を表 1 に示す。ま
実験結果から得る滑り係数μは次の式で求める。
実験結果から得る滑り係数  は次の式で求める。
して本た、素材特性を表 2 に示す。計測する物理量は、荷重 P 、滑り量δ、およびボルト軸力 T とした。また、滑り耐力比（滑り荷重 / フランジの降伏軸力）は、実験結果より0.03～0.28で実施した。

Qf2T0

Q(1)f2T0(1)
（1）

ダー処

値で安stick)、T:ここに、Qf：滑り耐力（図: 滑り耐力 ( 図 2(b)中のに対応
ボルト
ここに、2（b）中のstickに対応）、T：ボ
ここに、Qf: 滑り耐力 ( 図 2(b) 中の stick に対応 )、T: ボルト では、ルト軸力である。
軸力である。
軸力である。
全ての4 実験結果および考察
4 実験結果および考察
力の大4.1 実験後の試験体の様子
4.1 実験後の試験体の様子
以上
写真 1 に実験後の添え板の様子を示す。無処理、ディスク
写真 1 に実験後の添え板の様子を示す。無処理、ディスク 確認でグラインダー処理とした試験体は、初期ボルト軸力T0 の大きさ
グラインダー処理とした試験体は、初期ボルト軸力T0 の大きさ スト処に依らず鋼材の表面が激しく損耗した。一方で、発錆処理とに依らず鋼材の表面が激しく損耗した。一方で、発錆処理と る。
した場合は錆が削られていたのみであり、T0 が大きいほどした場合は錆が削られていたのみであり、T0 が大きいほど 4.4 軸

2

写真 1

実験後の添え板の様子― 71 ―2

中村亮太・山西央朗・小松真吾・松田頼征

り係数は初期よりも 2 倍以上大きな値で安定したのに対し4 ．実験結果および考察て、ショットブラスト処理をした場合では、滑り係数の変4 - 1．実験後の試験体の様子化量は小さいという結果となった。また、全ての試験体に

写真 1 に実験後の添え板の様子を示す。無処理、ディスクグラインダー処理とした試験体は、初期ボルト軸力共通して、変化後の滑り係数は初期ボルト軸力の大きさに依らないという結果となった。

T 0 の大きさに依らず鋼材の表面が激しく損耗した。一方

以上、表面処理により繰返し滑り時の滑り係数変遷等がで、発錆処理とした場合は錆が削られていたのみであり、確認できた。滑り係数の変動が比較的小さいショットブラT 0 が大きいほど錆が削られた範囲が大きい傾向がある。

スト処理が梁継手塑性ヒンジには適当であると考えている。

ショットブラスト処理とした場合は、ブラストの凹凸が削られていたのみであり、発錆処理と同様に T 0 が大きいほ4 - 4．軸力残存率 - 滑り量関係

どブラストの凹凸が削られた範囲が大きい傾向がある。こ

初期ボルト軸力 T 0 に対する計測したボルト軸力 T（以れは、ボルト軸力が大きいほど、真実接触面積が大きくなっ下、軸力）の比を軸力残存率とし、図 6 に軸力残存 - 滑りたことが起因していると考えられる。実験後の試験体は、量関係を示す。図中に、実験開始直後を赤色のシンボル、無処理とディスクグラインダー処理、発錆処理とショット実験終了時を青色のシンボルで示す。

ブラスト処理それぞれが類似した状態に変化した。

無処理、ディスクグラインダー処理の場合は、繰り返し滑り挙動による状態変化とともに軸力が上昇した。また、

4 - 2．荷重 - 滑り量関係

実験終了時の軸力は初期軸力に近い傾向にあることがわ

図 4 に荷重 - 滑り量関係を示す。無処理とディスクグかった。

ラインダー処理とした試験体では、初期段階では、stick-

これに対して、発錆処理、ショットブラスト処理とした

slip が生じ、大きな音が発生していたが耐力の上昇に伴場合の軸力は、圧縮方向載荷時に上昇し、引張方向載荷時い、stick-slip は生じず静かに滑る状態に変化した。耐力に減少する傾向がみられ、無処理やディスクグラインダーの上昇は、鋼材表面にみられた激しい損耗が起因している処理の場合と異なる挙動を示した。また、実験終了時軸力と考えられる。発錆処理とした場合も同様に、初期段階で残存率は、T 0 =59kN, 24kN とした場合で特に小さくなり、は stick-slip が生じ、最終的には stick-slip は生じず静かに

発錆処理で T 0 =24kN とした No. 6 は 7 割を下回る結果と滑ったが、最終的な耐力は、初期の耐力を下回る結果となっなった。

た。これは、繰り返し滑り挙動によって、削り取られた鋼材表面に存在していた錆の欠片が分布し、ベアリング作用履歴形状は、無処理とディスクグラインダー処理、発錆処理とショットブラスト処理それぞれが類似している。

を引き起こして滑りを促進させたからだと考えられている。

これ等の結果は、無処理かディスクグラインダー処理に

また、No. 4 の試験体のみ、一度 stick-slip が生じなくな

おいては、元々表面の凹凸が小さく、実験前後での変化がり静かに滑った後、しばらくして再度 stick-slip が生じて少なかったので、軸力の変動が小さかったと考えている。

音をたてながら滑った。ショットブラスト処理とした場合、一方で、発錆処理では錆の膜が、ショットブラスト処理で実験終了まで stick-slip が生じ、音をたてながら滑った。

は人工的に設けた凹凸が削られて母材と添え板間の距離が縮まったことに起因して軸力が減少したと考えている。

4 - 3．滑り係数 - 滑り量関係

5 ．まとめ図 5 に滑り係数 - 滑り量関係を示す。また、実験開始
から初めて滑り挙動が発生したときの滑り係数μp 4 ）およ

高力ボルト摩擦接合滑り挙動を利用した梁継手塑性ヒンび、繰り返し生じる滑り挙動により変化した後の滑り係数

ジの耐力評価精度向上に寄与する摩擦面処理を明らかにす

μu を表 1 に示す。表面状態を発錆処理とした試験体以外るため、摩擦面処理および初期ボルト軸力を変数とした滑μp ＜μu となった。無処理、ディスクグラインダー処理

り実験を行い、以下の知見を得た。とした試験体では、μu が0.8程度まで上昇し、安定した。

1 ．表面処理をショットブラストとした場合、滑り耐力、この原因については、滑り面の損耗状態からみて焼付けな滑り係数の変化が小さい結果となった。したがって、どが生じている可能性がある。静的載荷を行い、また実験ショットブラスト処理が梁継手塑性ヒンジに適してい直後に試験体を解体して表面状態を確認したが熱が蓄積さると判断した。

れている状態等は確認できなかった。本実験では、追跡す

2 ．表面処理を無処理（黒皮）、ディスクグラインダーにることができなかったので、継続して本現象の解明を行っよる黒皮除去状態とした場合、試験体表面が激しく損ていく。無処理、ディスクグラインダー処理の場合では滑耗し、最終的な滑り係数が0.8にまで上昇した。これ― 72 ―

高力ボルト摩擦接合の繰り返し大変位下における鋼材表面の状態変化と滑り係数に関する研究

図4

荷重 - 滑り量関係― 73 ―

中村亮太・山西央朗・小松真吾・松田頼征

図5

滑り係数 - 滑り量関係― 74 ―

高力ボルト摩擦接合の繰り返し大変位下における鋼材表面の状態変化と滑り係数に関する研究

図6

軸力残存率 - 滑り量関係― 75 ―

中村亮太・山西央朗・小松真吾・松田頼征

に対し、表面処理を発錆処理とした場合では、最終的今後は実際のディテールを用いて、実験精度を高めることな滑り係数は初期の滑り係数を下回る結果となった。にも留意する。

3 ．本研究の要素実験の範囲では、初期ボルト軸力の大き文献さによる滑り係数および状態変化に顕著な差異は見られなかった。

[1] 曽田範宗・固体の摩擦と潤滑・1982[2] 松川宏・摩擦の物理・2012

大変位下で繰返し滑り挙動を与えて滑り係数が0.8まで[3] 中 村亮太・高力ボルト摩擦接合の滑り挙動を利用した上昇したが、これがどのようなメカニズムで発現したのか塑性ヒンジ形成工法の抵抗機構について・日本建築学について、焼付け等の可能性を含めて検討していく。また、

会中国支部研究報告集 第44巻・2021

長尺ボルトを滑り挙動位置に配置し、滑り耐力比を極端に[4] 日 本鋼構造協会・高力ボルト接合技術の現状と課題・小さく設定する等、実際とは異なるディテールを採用した。

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2013