締付トルクの基礎と実務ガイド：ボルト締結の最適化と検査方法

2025年12月25日 最終更新日時 : 2025年12月25日 エバープレイ編集部

はじめに — なぜ締付トルクが重要か

建築・土木の現場で用いられるボルト締結は、構造安全性や耐久性に直接影響します。適切な締付トルクは、ボルトに必要な軸力（プリロード）を与え、接合部の滑りや疲労破壊、漏れ（配管・フランジ）を防ぎます。一方、過大なトルクはボルトの降伏や座屈、母材損傷を招き、過小なトルクは緩みや接触面の損傷を引き起こします。本稿では理論と実務、検査方法までを体系的に解説します。

基礎理論：トルクと軸力の関係

締付トルク（T）とボルト軸力（F）の代表的な関係式は次の通りです。

T = K × F × d

ここで、Tはトルク（N·m）、Fは軸力（N）、dはボルトの公称直径（m）、Kはトルク係数（無次元）です。Kは摩擦条件（ねじ面、座面の摩擦係数）、ねじ形状、潤滑剤の有無などで大きく変わり、一般に乾燥状態で約0.18〜0.25、潤滑状態で約0.10〜0.15程度の範囲がよく参照されます。ただしKは経験的な係数であり、実際の軸力を精度よく求めるには限界があります。

トルク係数（K）と摩擦の影響

K値はねじ部の摩擦が支配します。摩擦には大きく分けてねじ山間の摩擦と座面（ヘッド下やナット下）の摩擦があります。摩擦が大きいと与えたトルクの大部分が摩擦で消費され、軸力に変換されにくくなります。したがって、同じトルクでも摩擦条件が変われば軸力は大きく変動します。

  • 乾燥ねじ：摩擦係数高 → K高
  • 潤滑ねじ：摩擦係数低 → K低（軸力が確実に得られる）
  • 異物混入や損傷ねじ：摩擦変動が大きく、ばらつきが増加

締付方法と工具の選び方

代表的な締付方法には次のものがあります。

  • トルク制御法（トルクレンチ）：現場で最も一般的。工具の校正と操作が品質に直結。
  • 角度管理法（トルク＋角度、またはトルクアップ後の追加角度）：塑性域まで確実に伸びを与える方法。摩擦変動の影響を低減する。
  • ターンナット法（規定回転量で締める）：簡便で一定の伸びを与えやすい。
  • 直接テンション測定法（ボルト伸び測定・直読テンションインジケータ、超音波伸び測定）：最も正確に軸力を測定できるが高価。

工具選定においては、トルクレンチの精度と校正、適正なサイズのソケット使用、延長バー（チェッカー）使用の影響（トルク表示誤差の発生）に注意が必要です。トルクレンチは定期的な校正（一般的には年1回またはメーカー指定のサイクル）が推奨されます。

ボルト材料・等級と設計上のポイント

ボルト強度等級（例：JISでの等級、ISO/ENのクラス）は許容荷重や許容トルクの設計に影響します。設計では次を考慮します。

  • ボルトの引張強さと許容引張荷重（予想されるプリロードと荷重の合成）。
  • 許容降伏：ボルトを塑性変形させない範囲の軸力を設定する。
  • 座面の硬さ差：柔らかい母材では座面座屈や埋まり（embedment）で軸力が低下する。

締付手順と現場管理の実務

フランジや複数ボルトの締付では、以下のような手順が標準的です。

  • 順序：対角星形（スター）締めでムラを防ぐ。
  • 段階的締付：下記のように数段階で目標値に近づける。
    • 1段目：対角に軽く仮締め（スナッグ）
    • 2段目：目標トルクの30〜50％で全ボルト締め
    • 最終段：目標トルクで指定順序にて締付
  • トルク管理記録：作業者、工具ID、校正日、環境（潤滑状態）を記録する。

検査・品質管理手法

締付の品質を確認する主な方法は次の通りです。

  • トルクチェック：一定サンプルを抜き取りトルク確認。
  • 軸力測定：ダイレクトなテンション測定（直接測定器、超音波、テンショナルインジケータ）。
  • 再トルク（サービス後）：初期座屈・埋まりが起こる場合、初期運転後に再トルクを行うことがある。ただし製造者指示に従う。
  • 非破壊検査（緩み・疲労の兆候）：定期点検で増し締めや交換の判断。

トラブルとその対策

よくある問題と対策例：

  • 緩み：座面粗さや振動対策（ロックワッシャー、接着剤、二重ナット、適切なプリロード）を検討。
  • 過大トルクでの破断：締付基準を守り、トルクレンチの誤使用を防止。
  • ばらつき：潤滑の統一、工具の校正、作業者教育で軽減。
  • 熱サイクルによる軸力低下：材料選定、熱膨張差の考慮、適切な締付トルク余裕を設計。

計算例（概算）

例：目標軸力F=50,000 N（50 kN）、ボルト径d=20 mm（0.02 m）、K=0.20とすると、

T = K × F × d = 0.20 × 50,000 × 0.02 = 200 N·m

これにより実務でのトルク設定値が求まりますが、Kの不確かさを考え、現場では角度管理法や直接テンション測定で確認することが望ましいです。

実務でのチェックリスト（推奨）

  • 使用するボルト・ナット・ワッシャーの仕様と表面処理の確認
  • 締付手順（段階・順序・目標トルク）を文書化
  • トルクレンチの校正履歴と管理番号の記録
  • 潤滑剤の種類・塗布量の統一
  • 締付後の検査計画（抜き取りトルク、テンション測定）

まとめ

締付トルクは単なる数値ではなく、摩擦条件、工具精度、ボルト材質、母材条件、作業手順が複合的に影響します。設計段階で適切なプリロード目標を設定し、現場では標準化された締付手順、校正された工具、検査計画を厳密に運用することが、安全で長寿命なボルト締結を実現する鍵です。

参考文献

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建築・土木
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