ボルトのせん断応力を半分にすることは、両せん断の取り付けについて、ほとんどの人が知っている部分です。より重要な部分、そして、適切に設計された両せん断のブラケットが、片せん断のものよりも優れている本当の理由は、ボルトが、そもそも受ける応力の量だけでなく、応力の種類を変えることです。
片せん断の問題:ボルトが片持ち梁になる
片せん断の接合部では、加えられた荷重が、ボルトのせん断面を、正確に通らない場合、そのずれが、偏心モーメントを生み、ボルトは、せん断されるだけでなく、曲げられる、小さな片持ち梁のように振る舞い始めます。ボルトの曲げ応力は、そのモーメントと、ボルト自身の幾何形状に比例し(モーメント=力×偏心、結果の応力は、そのモーメントに比例)、ボルトは、その長さに比べて、比較的細いため、わずかなずれでも、すでに受けているせん断応力に加えて、意味のある曲げ応力を生じます。
両せん断が実際に変えるもの
両せん断のブラケットは、ボルトを、1つではなく、2つのせん断面の間に置きます。接続部をまたぐ、2枚の支持板、または1対のブラケットアームです。これは2つのことを行い、2つ目のほうが、1つ目よりも重要です。
- 荷重が2つのせん断面に分散され、同じ加えられた力に対して、片せん断の接合部が受けるせん断応力の半分に下がります。
- 荷重経路が対称になります。両側に、適切に位置合わせされた、同一のブラケットアームがあると、ボルトの両側で生じるモーメントは、反対方向に働き、ほぼ互いに打ち消し合います。ボルトは、曲げ荷重の下の片持ち梁のようには、もはや振る舞わず、本来あるべき姿である、せん断ピンとして、曲げの成分を設計で取り除かれた、純粋なせん断で、荷重を支えます。
その2つ目の点が、両せん断の本当の工学上の利点で、単に「応力が半分」というだけでなく、ボルトにとって、根本的に異なる、より有利な荷重条件です。
ブラケットが、これを正しく行うために、実際に必要とする3つのこと
接合部を名前だけ「両せん断」にしても、自動的に、完全な利点が得られるわけではありません。幾何形状が、3つのことを正しく行う必要があります。
- 荷重を、ボルトの中心線に合わせる。力の経路は、実際にボルトの軸を通る必要があります。技術的には両せん断でも、荷重を中心から外して導くブラケットは、両せん断が取り除くはずの曲げの問題を、再び生じさせます。
- 両側を対称に保つ。2つのブラケットアームには、各せん断面での力が、本当に等しくなり、正味の不均衡を残さず、実際に打ち消し合うよう、等しい間隔、厚み、素材の剛性が必要です。
- 十分なブラケットの剛性を持つ。ブラケットアーム自体が、荷重の下で弾性的にたわむと、非対称な荷重が再び生じ、両せん断が提供するはずの理論上の利点が損なわれます。十分に剛性のない両せん断のブラケットは、真の両せん断システムというよりも、互いに逆らって働く、2つの片せん断の接合部に近いものです。
3つすべてを正しく行えば、ボルトは、決して寸法を決められていない曲げ荷重と格闘するのではなく、実際に得意とする仕事、つまり純粋なせん断を行います。
片せん断と両せん断のどちらの取り付けを使うべきか、そして、片せん断が避けられない場合にどうするかという、より広い問いについては、片せん断と両せん断の取り付けの解説をご覧ください。
関連記事: シングルシア取り付けとダブルシア取り付けの解説 · シングルシア取り付けでセーフティワッシャーが必須な理由:破損のメカニズム
