四国電力，四国総合研究所
研究期報１０８（2018年6月）
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ストップホールとボルト締め併用による疲労き裂抑制効果の評価㈱四国総合研究所 産業応用技術部㈱四国総合研究所 産業応用技術部㈱四国総合研究所 産業応用技術部

キーワード：Key Words：

ストップホール
疲労き裂停留松佐岩田
野口利治
正純
新二

stop holefatiguecrack arrest

Evaluation of Fatigue Crack Suppression Effect by Combining Stop Hole Method and Bolting
Shikoku Research Institute, Inc., Industrial Application Technology Department
Toshiharu Matsusa, Masazumi Iwata and Shinji Noguchi

Abstract
In recent years, fatigue crack propagation events are prominent due to aging of structures. Therefore, the fatigue
crack propagation rate and the characteristics of the progress path were clarified. Also, the relationship between
crack opening displacement and load stress was calculated. These results are expected to be useful for estimating
the cause of fatigue fracture.
The "stop hole method" is considered to be able to arrest crack propagation. It has already been applied as a life
extension method. We examined the effectiveness of this method. As a result, by simultaneously using bolt
tightening, crack propagation could be further arrested. In order to ensure the effectiveness of the combined method,the optimum thickness of the washer shape was examined.

－7－

ストップホールとボルト締め併用による疲労き裂抑制効果の評価

1. はじめに材料の高経年化により疲労き裂の発生やき裂の進展・成長が想定される。仮に、き裂が発見された場合でも、破損に至るまでの寿命を延伸することができれば応急処理として有効な手法となる。簡便な方法として、「ストップホール法」が使われることがあるが、その有効性や評価方法についてはあまり検討されていない。そこで、ボルト締め併用も含め、検討したので報告する。
2. ストップホール法について
ストップホール法とは、疲労き裂の先端に円孔をあける方法で、円孔端の応力はストップホールをあける前のき裂先端の応力に比べて、低減するため、疲労き裂の進展速度の低下、あるいはき裂の進展を停止させる効果が期待される。

図２

疲労き裂進展試験

試験片1)

日本鋼構造協会の疲労設計指針 によると、ス
トップホールをあけた部材の疲労強度は、ストッ3.2 治具

プホールを楕円型長径側とする切欠き材と置き

図３に試験治具の形状・寸法を示す。図３では換えて、円底での局部応力を求め、疲労寿命を評下側の治具を示しているが、同様な治具が上側に価する方法がある。（図１）も取り付けられる。試験片を２枚の側板で挟みこみ、ピンあるいはボルトで結合する。側板の間隔は 10mm で、試験片の厚みが 3mm であるため、隙間を埋めるために、厚み 3.5mm の平ワッシャーをピンの両側に入れて、試験片が治具の中心にくるように設定した。

図１

ストップホールの応力集中計算モデル

3. 疲労き裂進展試験方法
3.1 試験片
図２に平板試験片の形状・寸法を示す。初期き裂として長さ 30mm の放電加工スリットを片側に加工した。材質は一般的な SUS304 ステンレス鋼である。板厚 3mm、幅 120mm、断面積 360mm2とし、四隅の円孔にピンを入れて治具に固定するピン方式とした。なお、ピンに荷重が集中し、ピンに疲労き裂が発生することが分かったため、途中(後述する TP07 以降)から M14 ボルトによるボ図３ルト締め方式に変更した。

－8－

疲労き裂進展試験用治具

ストップホールとボルト締め併用による疲労き裂抑制効果の評価

3.3 試験荷重

特徴的な結果について、以下、記述する。

疲労き裂伝ぱ速度やき裂伝ぱ経路に関するデータを蓄積し、試験条件を決定した。最大荷重

TP02：開口端から 24mm 位置に、直径 12mm の25kN、最 小 荷 重 2.5kN、す な わ ち 応 力 全 振 幅円孔を放電加工した。100 万回でもき裂の発生はΔσ=62.5MPa、応力比 R=0.1 とし、荷重は 10Hz無い。き裂が短く、円孔縁が滑らかなため、き裂の正弦波を用いた。所定のき裂寸法まで進展させが発生しなかったものと思われる。図５に放電加た後、進展対策として、下記の処理を施した。そ工孔の外観と 60 万回後の試験片全景を示す。の後、試験を再開し、破断寿命を求めた。
・直径 12mm のストップホール加工
TP02・さらに M12 ボルト締め4. 試験結果
4.1 試験結果一覧
試験結果を表１、図４に示す。
表１

疲労き裂進展試験結果
図５(a)

放電加工孔の外観

TP0224mm

図５(b)６０万回後の試験片全景

TP08：開口端から 60mm 位置に､直径 12mm の円孔をドリル加工し、M12 ボルト＋円板ワッシャー＋バネワッシャーで締めつけた結果、80 万回でも破断しなかった。TP01(対策なし)と比較して、約 8 倍以上の寿命延伸があり、効果は大きい。
図６にボルト締付後およびボルトをはずした状況を示す。き裂側に摩耗粉が認められた。

図４

疲労き裂進展試験結果－9－ストップホールとボルト締め併用による疲労き裂抑制効果の評価においても、80 万回以上の寿命延伸が認められた(TP08)。

TP08

5. 考察
5.1

ストップホール(ドリル孔)の有効性検討

切り欠き材の疲労強度σ wk は、平滑材の疲労強度σ w と切り欠き係数β(ここでは、疲労強度低下係数 Kf(=β)と表す)から、(1)式で求められる。

円板ワッシャー

図６(a)対策処理後の試験片

σ wk=σ w/β=σ w/Kf

・・・(1)

また、図７にステンレス鋼について求められた
TP08

応力集中係数 Kt と疲労強度低下係数 Kf の関係を示す 2) 。
この図から Kf が Kt に比例すると仮定すると、以下の関係が求められる。
Kf=1+(Kt-1)*0.6

図６(b)・・・(2)

８０万回後のストップホール

4.2 試験結果のまとめ
試験結果から得られた知見を以下に示す。
①き裂長さが比較的短い場合(板幅の 20%)は、放電加工孔が有効であるが、現実的でない(TP02)。後述するが、ドリル孔でも効果はあると推定。
②き裂長さが板幅の 33%、50%の場合は、ドリル孔のみでは有効でない(TP03,04)。
③き裂長さが板幅の 33%の場合は、M12 ボルト

図７

Kt と Kf の関係を用いて、締付トルク 42Nm で約 8 倍以上の寿命延伸が図られる(TP05)が、き裂長さが板したがって、ステンレス鋼の平滑材の疲労強度幅の 50%になると、この手法は有効でなくな

振幅と応力集中係数が分かると、切り欠き材の疲る(TP06,07)。ボルト締めを用いる場合は、き労強度は求められる。そこで、切り欠き材の応力裂長さを考慮する必要がある。

集中係数を有限要素法により解析し、平滑材の疲
労強度 3)をΔσ w=380MPa として、(1),(2)式の関係④ボルト締めに用いるワッシャーとして、ボルトを用いて、円孔の中心位置の異なる平板の平均応径の 2 倍以上で、厚みがある円板ワッシャー

力振幅と疲労強度の関係を求めた。計算結果をを挟み込んだところ、き裂長さが板幅の 50%

図８に示す。

－10－

ストップホールとボルト締め併用による疲労き裂抑制効果の評価

応力解析から、開口変位と円孔縁応力の関係を求め、開口変位から応力を推定する式を直線近似したものを図９に示す。

図８

平均応力振幅と疲労強度の比較

応力振幅が疲労強度を上回ると、き裂が発生し破壊することになる。したがって、図８において、赤線が青線を下回る範囲ではき裂が発生するこ

図９

開口変位と円孔縁の応力の関係とになる。交点は約 27mm となることから、27mm以上ではき裂が発生する。

これによると、円孔縁の応力σ max は開口変位 d

実験では、円孔位置が 24mm の場合では、き裂により、下記で求められる。

が発生せず、円孔位置が 40,60mm の場合にはき劣が発生した。図８の解析結果は実験結果とよく

σ max=1.9759d+184.5・・・(3)一致している。
以上から、ドリル孔のみでの対策が有効かどう

以下に、ストップホール(円孔)をあけた後、ボかの判定を行う方法として、応力集中係数からのルトで締付ける工法について、開口変位から、き推定方法が有効であると考えられる。

裂進展対策の効果を評価するフローを示す。

5.2 ボルト締めによる有効性検討① ボルト締めした状態で、疲労試験の最大荷重円孔をあけた後、ボルトで締付ける工法についと最少荷重の差分の荷重（F=22.5kN）を負荷て、通常のバネワッシャーのみで締付けた場合にした時の開口変位（ｄ）を測定する。

は、円孔の位置が 40mm では有効であったのに対し、60mm では効果が無いという結果が得られた② 測定されたｄを(3)式に代入して、円孔縁の最大応力σ max を求める。

(図４の TP05,06,07)。このような差異がでた理由について考察を行った。
前項の検討結果から、疲労き裂の発生について③ 最大応力σ max を平均応力σ m で除して、応力は、円孔縁の応力すなわち、応力集中係数から推集中係数 Kt を求める。

定できる見通しを得た。この考え方をボルト締付

Kt＝σ max／σ m状態に適用することとした。しかし、円孔縁の最大応力は、ボルトで締付けられているため、ひず④ Kt を(2)式に代入して、疲労強度低下係数 Kf

みゲージでの測定ができず、応力解析も難しい。

を求める。

そこで、円孔の位置によらず、開口変位と円孔縁応力の間に比例関係があることを解析から見出⑤ Kf を(1)式に代入して、切欠き材の疲労限度しているので、開口変位の測定から、円孔縁の応Δσ wk を求める。

力を推定することを試みた。ここで、開口変位（ｄ）とは試験片側端(開口端)における開口変化量の⑥ 平均応力範囲Δσ m と切欠き材の疲労限度測定値である。

Δσ wk を比較する。

－11－

ストップホールとボルト締め併用による疲労き裂抑制効果の評価⑦判定結果 Δσ m <Δσ wk 、→対策効果あり

円板ワッシャーの板厚を変えても、締付トルクがΔσ m >Δσ wk 、→対策効果なし

同じであれば、軸力はほぼ同じと考えられる。ところが、開口変位に大きな差が出ており、板厚5.3 疲労延伸効果をもたらす有効な円板ワッシャー

1,3mm では締付の効果が十分出ていない。

サイズ、締付トルクについての検討

この理由を調べるために、ばねワッシャーと円今回の対策として用いた円板ワッシャーとし板ワッシャーについて、試験片と接触する部分のて、直径 30mm、板厚 5mm を用い、締付トルク面圧を締付けトルクを変えて、面圧測定シールを50Nm とした場合に、寿命延伸効果の有効性が認用いて、測定した。この結果を図１１(a)、(b)にめられた。有効な対策を施すためには、円板ワッ示す。図より、バネワッシャーではバネの隙間部シャーサイズの選定が重要と考えられるため、こ分が完全に接触していないため、この部分はき裂

こでは、板厚および締付トルクを変えて有効性を開口の押さえ込みに有効でない。

検討した。

また、円板ワッシャーでは、板厚が 1,3mm で板厚が 1,3,5mm の円板ワッシャーについて、締締付トルクが低い場合には、面圧分布が均等でな付トルクを変えて、試験応力 62.5MPa を負荷したく、押さえ込みが不十分となり、有効でない。

場合の開口変位を測定した。この結果を図１０に一方、板厚が 5mm では、均等な面圧分布とな示す。

り、全体をしっかりと押さえ込んでいるのがわかる。

図１０

板厚の異なる円板ワッシャーを用いた場合の開口変位の測定値(σ=62.5MPa)
図１０を見ると、締付トルクが大きい程、開口変位は減少し、円板ワッシャーの板厚が 5mm の場合に効果が大きい。

先 に示した(1)～(3)式を用いると、疲労寿命延伸効果をもたらす有効な開口変位を求めることができる。それによると、寿命延伸効果が期待できるのは、開口変位が 180μm 以下であった。図１０によると、開口変位が 180μm 以下になるのは、円板ワッシャーの直径が 30mm で板厚 5mmを用いて、締付トルクが 35Nm 以上の場合であることがわかる。
開口変位を抑えるためには、ボルト締付により円板ワッシャーと試験片が密着する必要がある。

－12－

図１１(a)

ワッシャーの面圧分布

ストップホールとボルト締め併用による疲労き裂抑制効果の評価みこむ方法が有効であり、今回の試験条件では、直径 30mm、板厚 5mm の円板ワッシャーをボルト締付トルク 35Nm 以上で締付けた場合に有効性があると評価された。また、円板ワッシャ－の板厚が薄い場合には、面圧分布が均一でなく、有効性が劣ることがあるため、円板ワッシャ－の板厚の選定が重要であることがわかった。
［謝辞］
本研究は、四国電力㈱殿より委託を受け実施したもので、ご協力いただいた関係各位に深く感謝いたします。
［参考文献］
1) 日本鋼構造協会:「鋼構造物の疲労設計指針・同解説」，技報堂出版，p.317(1993)
2) 日本溶接協会：「原子力機器用ステンレス鋼の疲労強度評価研究」，EFS 小委員会(2015)3) 科学技術庁

金属材料技術研究所:「金属材料技 術 研 究 所

疲 れ デ ー タ シ ー ト 」，

No.33(1983)

図１１(b)

ワッシャーの面圧分布

以上のように、円板ワッシャーの採用が有効であるが、これを用いる場合には、板厚の影響が大きいため、適切な板厚に設定しないと、寿命延伸効果は得られないことが判明した。
6. まとめストップホールは有効であるが、き裂長さが長くなると、ほとんど効かなくなることがある。ボ
ルト締めにより補強する手法についても、き裂長さや使用するワッシャーにより効果が異なることが明らかになった。
き裂の開口変位から疲労き裂発生の有無を評価する式を導出した。これを実験結果に当てはめたところ、寿命延伸効果を正確に評価できることがわかった。
ボルト締めには、円板ワッシャ－で両側から挟－13－