ネジによる固定について

Question

ネジで二つの素材を固定する場合についてです。

例えば、木面でできた壁Ａに、厚さ数cmの別の木材Ｂを当てて、
ネジで固定するような場合です。

しっかりと固定した場合、木材Ｂは落ちませんが、落ちないように直接支えているのは
ネジではなく、木面Ａと木材Ｂによる摩擦力と聞きました。
（ネジは、摩擦力を生み出す垂直抗力を作るため。ＡとＢを圧迫するためにある）

つまり、高校物理で習ったように
摩擦力＝垂直抗力（ネジによる締め付け）×摩擦係数（素材間のザラザラ度）
ということで、
「下向きの重力」と「上向きの摩擦力」が釣り合っているということです。
（ネジのみで支えているわけではなく、垂直抗力を十分確保し、摩擦が十分大きくなれば
ネジへの負担は少なくなる）

それならば、同じネジでも、ＡとＢの表面の摩擦係数によっては、弱くなったり
強くなったりするのでしょうか。
直観的にも、ツルツルの素材だと、ネジを中心に回転したりしそうですし、
極端に摩擦が０（または極めて小さい）のものを考えるとネジだけでものを
支えることになり、局所的に負荷が大きくなり、良い固定にはならなそうです。

もし、そうならば、素材間に両面がザラザラのシートなどを挟むと、固定の強さは
変わるのでしょうか？（例えば、両面がやすりになっているようなシートを挟む）

例えば、
ネジ10本が適切な固定は、摩擦係数が極めて大きなシートを使うと5本でもいい、
などあるのでしょうか？

単純に原理的には間違っていない気がしますが、
このような話はあまり聞いたことがありません。
どうなのでしょうか？

asoc · Accepted Answer

シートを挟む事に寄る効果が確認できているのであれば、
この質問は一旦締め切り、今度は
「なるべく薄くて跡が残らない滑り止めシート」を探してみては如何でしょうか？

もう私の知識の限界を超えました（泣）。

gisahan · Answer

no6です。　実用面での目的がはっきりとある時は事前にお知らせ願った方が話が早かったように思います。
大方はすでにみなさんのご回答で納得いただいておられることと存じます。

・やすりの板やサンドペーパーも理窟は同じ、を挟んだ場合、仰せの通り
 マイクロ的に考えるとそれぞれの素材の表面を削り取るというような力がかかるということす。＝締め付け力に代わる自重でも摩擦力というのはそのような現象で抵抗しているのです。

＞その場合、ボルトは２素材が滑ったと仮定してボルトを軸を包丁で切るような方向の力に対しても十分に力に耐えることは出来ますが、木の面が先の掻きむしる力に対抗する（せん断の力を受ける）度合いは、今の所実験によるデータしかないだろう。＝木材やプラスチックの表面の摩擦抵抗値は決まった標準的な値は示されていない。

＞ ・木の面が摩擦係数に見合うねじの締め付け力に耐えうるかどうかは不確定
 ＝これは木材の面がボルトの締め付け力に対応できる力を持っているかという心配の形で書いたものです。即ち、実際には使われているであろうアンカープレートがなかった場合、座面がつぶれて所定の希望締め付けが出来ません。また、回転方向の力＝とも回り防止に対しても形状的に爪などがあるようですね。

・同じ締め付け力（軸力）ならば、耐えうるかどうかは関係ない気がするのですが違うのでしょうか。
＝それぞれの形状と（現実的には喰い込むかどうかを含め、ボルトで絞めた力が有効に及ぶのは一定の範囲にしか効果が出ません。例えば板の端を締めも反対側の方はがたつきやゆるみが見られるなど）表面の摩擦係数により、ケースごとに判断しなければなりません。

・ 同じ木材を同じトルクでボルト締めした場合、木材の表面がザラザラのほうが木材が破壊されやすいという事はありませんが、あまりにも面の凹凸が大きいと締め付け力の効果が薄れることはありえます。

・あくまで木材自体の強度（表面の仕上げでなく）とボルトの締め付けに依存する気がします。
＝基本的にはある範囲において比例するものですが、実際面では個々の条件が複雑に絡み合ってきますので、必ずしも想定の範囲に入るかどうかは試験を繰り返してみるしかないでしょう。特にラワン材とありましたので。

＞・形状により一定の面積しか有効な摩擦力が発生しないので、全体の保持力を得るために、その面積を事実上確保できるかどうかという問題が起きる。＝これは事実上の現象です。今回のホールドの範囲では一応無視的なケースもあると考えます。
 ＝学校の理論は合っていますがそれは上下の品物は完全な剛体でずみずみまで変形しないという前提です。木材の厚みはかなり変形する部類に入りますので、力の入り方が部分で違ってきます。

＞・摩擦シートを間に挟む効果はありますか？
＝確かに効果はあるでしょう。細かなことを言うと、木材は湿度により息をします。装着された品物も時間的な経過や水分の付着で相対する面の特性が変わることが考えられます。
従って長期に安定したことではなく、時々は取り換えや点検が必要と考えます。
なお、こういうケースはその施工の出来栄えにより効果のばらつきは非常に大きく出るものと思われますので注意してください。
.

asoc · Answer

自宅でボルタリングですかあああああ、うらやましい。
転勤前は近所のpumpに通ってました。

なるほど、
ボルタリングのホールドは、たいてい１つのボルトで留められてますね。
強くねじ込む事で壁とホールドの間の摩擦力を強め、不用意に回転しないようにしていると思われますね。
あと、私は取り付けた状態しか見た事が無いのでわかりませんが、
ホールドの裏側に微妙な突起が有り、壁面に食い込むような感じで回転を防いでいるのではないかと思っていました。

ホールドの場合は、問題となるのはモーメントですね。
ホールドをつかんだとき（又は足をかけたとき）に、力の向かう方向がボルトの穴方向であれば、どれだけ大きな物でも安定していると思います。
逆に小さなホールドでも回転を発生させるような力をかければ簡単に回ってしまうでしょう。
つまり、問題はホールドの大きさでは無く、形状による力のかかり方の違いですね。

その、ホールドを回転させようとするモーメントに対して、例えばゴムのシート等で抵抗する事が出来るか？ですが、それはもう「業者に聞いてください」としか・・・。

個人的な（無責任な）意見を言わせてもらえば、効果はあると思います。ただし、壁面が硬くてつるつる（そもそも摩擦が少ない）の場合です。
壁面が集積材やコンクリート打ちっ放しであれば、微妙な凹凸に食い込ませる事により回転を防げるので、シートによる摩擦力の向上はあまり期待できないと思います。逆に食い込みが無くなる事により、回転しやすくなるかも知れません。

もともとボルト一つで固定できるホールドに限定して設置した方が無難な気がします。

bathbadya · Answer

接着剤は摩擦力ではありません。分子間力とかクーロン力とかって言うものです。

>
両面がザラザラのシート
両面が大根おろしみたいになった金具があります。
シンプソン金具なんかも食い込むようになってますね

で、見た目が垂直な加重でも、モーメントが働いて引きはがす力が生じています。
時間が経つと、ネジの頭が陥没します。
陥没しないためには、複数のネジを使って座面面積を稼ぐのが有効だと思います。

kurobob · Answer

理論的な問題ならばお考えの通りかもしれません。
ＤＩＹカテゴリでの質問での現実的な回答をすれば
摩擦接合は鉄骨造（粗面処理+ＨＴＢ）以外は摩擦での接合は殆どありません。
ビスや釘は剪断と引き抜きで決まります、従って長さと径、本数が問題になります。
接着併用の接着剤は摩擦ではなく粘着に近いのでは？こちらは建築では計算外です。
ただし合板や集成材そのものは接着構成ですがこちらの接着強度はどう考えるのかはすみませんが判りません、
一般的には部材強度のみが与えられていますので、それの接合法釘、ビスの径、長さ、本数を決定するのみです。
中途半端な回答ですみませんがご勘弁。

asoc · Answer

No.3お礼
＞ネジの本質は、摩擦力による固定

これは間違いだと思います。ネジ自体は摩擦力により固定されますが、
ネジの本質は、2つの部材の位置がずれないように固定する事だと思います。

水平面ではネジ１本でも二つの部材を結合できますが、
fedora777さんが書かれているとおり、それでは回転してしまいます。
その場合、普通は「ネジを強く締める」事ではなく、「ネジを２本にする」事を考慮します。

それはさておき、

なるほど。適切なメンテナンスが継続出来る前提ですか。

どちらにしろ、
「短期的には正解、長期的にはアウト」になりませんか？

相手が木材であると、そちらの「へたり」は問題ないのでしょうか？
何度も同じ所にネジを打ち込むと、そのうち木材側が「バカ」になった経験はないでしょうか？

また、想定されている大きさがわかりませんが、
木面Ａと木材Ｂ、全体に、均一に、継続的に、摩擦力を発揮させる事ができるのでしょうか？

展示会等で、期間中だけなんとかなれば良いのであれば、
とりあえずずれないように留めておけば良いと思います。

しかし、「ネジは緩む。緩んでも支えられる」設計は必要でしょう。

理系の学校だったので設計も少しかじったのですが、梁を結合する場合に考慮する必要があるのは、
ボルトの直径（剪断力に耐えうる断面積）、
結合部材の厚さ（張力に耐えうる断面積）、
であったと記憶しています。
強度設計に摩擦力を考慮した事は一切有りません。

余談ですが、
ネジの本数が限られる場合、私なら、「引っかかり」を作ります。
例えネジが１本しか無くても、引っかかっている限り落ちる事はありません。

gisahan · Answer

まずねじは木ねじではなく普通の（回転による締め付け力の発生するもの）として、あなたの理論は正当な理屈ではありますが。現実的にはケースバイケースです。
やすりの板を挟んだ場合、今後は木に鉋を掛けるような力が働くことになる。この場合、ボルトや木の断面がせん断の力を受けるので今の所実験によるデータしかないだろう。

以下は揚げ足ではなくあくまでこれも理論として鋼板などの接合に使われている根拠の一部です。

・木の面が摩擦係数に見合うねじの締め付け力に耐えうるかどうかは不確定
・形状により一定の面積しか摩擦力が発生しないので、全体の保持力を得るために、その面積を事実上確保できるかどうかという問題が起きる。
・建築など鋼の場合はその面積が物理的に得られないし、また、ボルトのせん断力のほうが勝っているので、そのような計算をしている部分も多い。

なお、摩擦力の極めて大きなシートというのは接着剤の原理を除けば考えられませんので、実際面では予定の半分とかいった計算にはならないでしょう。

mukaiyama · Answer

揚げ足でないですよ。
机上の空論でなく、現実の話をしているのですよ。

＞グラグラの状態でも止めることはできますが、それは本来のネジの使い方ではありません…

あらっ、玄関で表札や店の看板、屋内で部屋名や「使用中」などの札を下げるのは、本来のネジの使い方ではないのですか。
始めて聞きました。

「L」の形をしたねじは広く使われていますけどね。

＞しかし、今は教科書通りの固定をした、という話…

札を下げるのが本来のねじの使い方ではないと、何の教科書に書いてあるのですか。
説得力ある説明ができるのですか。

mukaiyama · Answer

＞ネジで二つの素材を固定…

ねじとは木ねじのことですか。

＞しっかりと固定した場合、木材Ｂは落ちませんが…

別にしっかりと固定せず、木面Ａと木材Ｂの間に隙間があっても、木材Ｂの質量を支えられるだけ木ねじがねじ込まれていたら、木材Ｂは落ちませんけど。

＞ネジではなく、木面Ａと木材Ｂによる摩擦力と聞きました…

誰がそんなこと言っているの？

木材Ｂが落下するのを防いでいるのが木ねじ (あるいは接着剤) でなかったとしたら、木ねじも接着剤も使わずに固定できるってことですよ。

普通に身の回りで入手できる木材で、熟練した大工にかんなを掛けてもらったとしても、木ねじも接着剤も使わずに柱に板を固定できるでしょうか。
金属なら研磨の度合いいかんで可能かも知れないけど。

＞（ネジは、摩擦力を生み出す垂直抗力を作るため。ＡとＢを圧迫するため…

圧迫しなくても落ちないけど、何のために圧迫避ける必要があるの？

＞単純に原理的には間違っていない気がしますが…

ふう～ん。
どんな頭で考えるとそうなるんだろう？

asoc · Answer

ネジが未来永劫絶対に緩まないのなら、本数を減らしてもかまわないかも知れません。
そんなわけはないので、
摩擦は考慮せず、ネジだけで支えられる設計にしなければならないと思います。

ネジが抜けないのも摩擦力です。
木面Ａと木材Ｂによる摩擦力が発揮できるのは、ネジと木面Ａとの摩擦力のおかげです。

＞ネジ10本が適切な固定は、摩擦係数が極めて大きなシートを使うと5本でもいい、
＞などあるのでしょうか？

短期的には正解かも知れません。
しかし、時間とともにネジは緩み、木面Ａと木材Ｂによる摩擦力が発揮されなくなり、
壊れてしまうでしょう。

ネジによる固定について

シートを挟む事に寄る効果が確認できているのであれば、

no6です。

自宅でボルタリングですかあああああ、うらやましい。

接着剤は摩擦力ではありません。

理論的な問題ならばお考えの通りかもしれません。

No.3お礼

まずねじは木ねじではなく普通の（回転による締め付け力の発生するもの）として、あなたの理論は正当な理屈ではありますが。

揚げ足でないですよ。

＞ネジで二つの素材を固定…

ネジが未来永劫絶対に緩まないのなら、本数を減らしてもかまわないかも知れません。

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