ボルトが壊れる本当の原因を見ていきたいと思います。
ボルトを使った設計で、見落としやすいものがあります。
それが横滑り（すべり）です。
ボルトは引張や強度不足で折れると思ってしまうこともあるかもしれません。
しかし、ボルトは「横滑り」がきっかけで壊れることが非常に多いのです。
目次
横滑りとは何か
横滑り
締結された部材同士が、横方向にズレる現象です。
イメージとしては、
2枚の板をボルトで締結した状態。（図1）
本来は、板同士が固定されています。
しかしせん断方向に荷重が大きくなると、板がズルッと動く（図2）
これが横滑りです。
なぜ横滑りが危険なのか
本題はここからです。
ボルト設計の本質
ボルトは、「部材を強く押し付ける」ことで成立しています。
わかりやすいように高力ボルトをまずは見ていきましょう。
高力ボルトの基本
摩擦力＝締付力 × 摩擦係数
これは摩擦接合と呼ばれています。
つまり、摩擦で滑らなくして部材を止めているだけで、滑らないような強力な軸力を与えているのです。
では、横滑りすると何が起きるのでしょうか。
ボルトにせん断力が入る
本来は摩擦で受けるはずが、滑ると、
ボルト軸に直接せん断力が入ります。
ねじ部に曲げが入る
さらに滑ると、ボルトが引っ張られながら横にも押されることで
曲げ応力が発生します。
結果として
ねじ谷 → 応力集中 → 疲労破壊
というようになります。
軸力低下
滑る瞬間、座面が動くので微小変形が起きます。
よって、軸力が低下します。
すると、摩擦が低下してさらに滑る悪循環に陥ります。
フレッティング発生
フレッティングとは、接触面が微小に擦れ続ける現象です。
微小滑りを繰り返すと、微小摩耗が起きます。
そうなると、表面が荒れ、き裂が発生し、疲労寿命が激減します。
緩みにもつながる
横滑りすると、ボルト・ナットが微小回転しやすくなります。
回転緩み発生です。
ユンカー試験でもボルトの緩みは、横方向振動で急激に進行します。
つまり「横滑り」が緩みに対しても最悪なのです。
横振動も危険
軸方向振動
伸び縮みだけなら、ボルトは比較的耐えられます。
横方向振動
横振動では、「座面滑り」「摩擦変動」「微小回転」が発生し、
緩みと疲労が同時進行してしまいます。
理想状態
滑らない＝ボルトにせん断を入れない
つまり、「滑らせない」こと自体が設計思想です。
支圧接合
一方こちらは、高力ボルト以外のボルトでの接合方法です。
ボルトが穴に当たって荷重伝達
します。
つまり最終的には、穴壁とボルトで支えていることになります。
支圧接合では摩擦ゼロなのか
実は違い、最初は摩擦で止まっています。
ボルトを締めれば当然、部材同士を押し付ける力が発生します。
すると摩擦力も生まれます。そのため、低荷重時は滑らないのです。
でも設計上は「滑る前提」です。
支圧接合で実際に起きること
荷重が増えると
摩擦で耐える → 摩擦限界超える → 部材が少し滑る → ボルトが穴壁に接触 → 支圧状態になる
ここからせん断荷重を負担するようになります。
支圧接合でよくあるのが、初期すべりです。
穴クリアランス分だけ、ガクッと動くので衝撃荷重化しやすいです。
なので、せん断荷重がかかる場所はねじ部が穴にかからないように、シャンク部分をうまく使ってやるのがベストです。
まとめ
横滑りが危険な理由
- せん断力が発生する
- 曲げ応力が発生する
- 軸力が低下する
- 緩みの原因になる
- 疲労破壊を招く
ボルトは「引張」で壊れるのではない。
「滑り始めた瞬間から壊れ始める。」とでも言いましょうか。
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