(57)【要約】【課題】  鋼構造体の構造的不連続部に対して、繰り返し応力によるき裂の発生を予防保全する新方式を提供する。【解決手段】  本発明の鋼構造体の予防保全方法は、鋼構造体の溶接継手に起因する構造的不連続部にプライマーを塗布するによって、繰り返し応力によるき裂の発生を予防保全することを特徴とする。前記鋼構造体が橋梁の構造部分であることが好ましい。【選択図】  図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼構造体の溶接継手に起因する構造的不連続部にプライマーを塗布することによって、繰り返し応力によるき裂の発生を予防保全することを特徴とする鋼構造体の予防保全方法。
【請求項２】
前記鋼構造体が橋梁の構造部分である請求項１に記載の鋼構造体の予防保全方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動を含む荷重等の繰り返し応力が作用する鋼構造体における疲労破壊を予防保全する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼鉄製の構造物には、溶接継手、目的の形状に基づく切り欠き部や不連続部等、構造的な不連続部の存在は避けることができない。鋼鉄製の構造物に外力が作用すると、その様な構造的な不連続部で応力集中が生じ、破壊の基点となり易い。振動を含む荷重等の繰り返し荷重が作用するところでは、金属疲労によりき裂が発生し、破壊にまで至ることがある。ディテールを改善したり、じん性を高めたり、板厚を大きくすること等によって、それらの破壊や疲労破壊の多くは相当程度回避することができるが、費用的にも重量の面からも、自ずから限度がある。
【０００３】
近年の交通量の増大に伴い、道路橋、鉄道橋等に作用する繰り返し荷重は、その頻度と荷重の大きさの面で、益々増加している。
本発明者らは、先に、紫外線を透過する強化繊維に紫外線硬化型樹脂を含浸させたプリプレグを鋼構造体の構造的不連続部に貼付し、紫外線照射もしくは太陽光により硬化させることによって、繰り返し応力によるき裂の発生を予防保全することを提案した（特許文献１参照）。
特許文献１では、ガラス繊維に紫外線硬化剤（商品名：パラタール：ＤＳＭ社製）等を添加したビニルエステル樹脂を含浸させたプリプレグを３層貼付した例が示されている。
その後、本発明者らは、特許文献１で示される、未硬化のプリプレグを貼付するのに、プライマーを用いて、確証実験を続けた。その中で、必ずしもプリプレグ等の繊維強化樹脂体を用いないでも、鋼構造体の予防保全効果が得られることを知見した。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１３７７９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前記知見を基にして、簡易な措置によって、鋼構造体の構造的不連続部に対して、繰り返し応力によるき裂の発生を予防保全する新方式を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の鋼構造体の予防保全方法は、鋼構造体の溶接継手に起因する構造的不連続部にプライマーを塗布することによって、繰り返し応力によるき裂の発生を予防保全することを特徴とする。前記鋼構造体が橋梁の構造部分であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、溶接継手にプライマーを塗布するという簡便な手法によって、繰り返し応力によるき裂の発生を予防保全することができるので、狭く、複雑に入り組んでいることの多い橋梁をはじめとする鋼構造体の接合部に現場施工するのに特に適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
ウェブあるいはフランジと垂直補強材の溶接継手に相当する、荷重非伝達型十字溶接継手（非仕上げのすみ肉溶接継手）に、ガラス繊維強化プラスチック（以下、ＧＦＲＰという）を貼付することによる疲労強度改善の程度を調査し、疲労損傷の予防保全に対するＧＦＲＰの適用の可能性確認の実験を行い、解析的に検討した。
無補強試験片を図１に示し、図２に示すようにＧＦＲＰを貼付したものを補強試験片とした。リブの長さを長くしたのは、リブ端部からの亀裂の発生ならびにＧＦＲＰの剥離を防止するためである。
【０００９】
鋼材には、ＳＳ４００を用い、板厚６ｍｍ、すみ肉溶接サイズは４ｍｍとした。溶接後、鋼板にブラスト処理を施し、常温硬化型２液性プライマー（主剤＝変性エポキシアクリレート樹脂：サンコーテクノ（株）製の商品名：スターパテＳＰＰ−Ｓ００１）を塗布し、ＧＦＲＰを貼付した。接着作業は、試験片に荷重が作用しない状態で、下向きで行った。無補強試験片をＮ０、ガラス繊維が一方向に配置されたＧＦＲＰ（一方向材）を２層貼付した試験片をＲ２、３層貼付した試験片をＲ３、ガラス短繊維がランダムに配置された等方性のＧＲＦＰ（チョップ材）を２層貼付した試験片をＣＨ２と呼ぶ。
鋼板、ＧＦＲＰおよびプライマーの機械的性質を表１に示す。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
Ｎ０、Ｒ２、Ｒ３およびＣＨ２の疲労試験のＳ−Ｎ線図を図３に示す。図中に、「鋼道路橋の疲労試験設計指針」の疲労強度等級も示した。
図３の縦軸は鋼板の平行部の応力範囲であり、横軸は繰り返し回数である。なお、図中の下に出ている矢印は非破壊、上に出ている矢印はチャック部からの破壊を示している。
「鋼道路橋の疲労試験設計指針」によれば、荷重非伝達型十字溶接継手（非仕上げのすみ肉溶接継手）の疲労等級はＥ等級であるが、図３より、Ｎ０はＣ等級を満たしており、一方向材を２層貼付したＲ２はＢ等級、３層貼付したＲ３はＡ等級、およびチョップ材を２層貼付したＣＨ２はＢ等級を満たしていることがわかる。
【００１２】
従って、ＧＦＲＰを溶接部に貼付することにより疲労強度が改善され、その効果はＧＦＲＰの全厚が厚い方が高く、また、ＧＦＲＰの荷重軸方向の弾性係数が大きい方が高いことが再確認できた。なお、試験片の破断箇所は、Ｒ３の応力範囲Δσ＝２６４ＭＰａで疲労試験を行った試験片以外は、溶接ビード止端部であった。
各シリーズの疲労試験結果とその回帰線を図４に示す。回帰線を式で表すと、以下の通りである。
Ｎ０：Δσ＝１６９０（Ｎ）-0.16  （Ｎ＜２９９万回）
Δσ＝１５６               （Ｎ≧２９９万回）
Ｒ２：Δσ＝９２７（Ｎ）-0.09    （Ｎ＜１４１万回）
Δσ＝２５７               （Ｎ≧１４１万回）
ＣＨ２：Δσ＝４５４（Ｎ）-0.05
【００１３】
５００万回疲労強度に着目すると、Ｎ０は１５６ＭＰａであり、Ｒ２は２５７ＭＰａ、Ｒ３は２１８ＭＰａであることがわかる。ＣＨ２の５００万回疲労強度は、この実験の範囲では得られなかった。従って、５００万回を疲労源の一つの目安とすると、応力範囲Δσが各々
Ｎ０：Δσ≦１５６ＭＰａ
Ｒ２：Δσ≦２５７ＭＰａ
Ｒ３：Δσ≦２１８ＭＰａ
であれば、疲労き裂の発生を防ぐことが可能であるといえる。
【００１４】
疲労試験において、ＧＦＲＰをリブ十字溶接継手の溶接部に貼付することにより疲労寿命が改善されたことを解析的に検討した。
解析には、２次元有限要素法を使用し、弾性解析とした。解析対象は、前述の疲労試験に用いた、荷重非伝達型溶接継手（非仕上げのすみ肉溶接継手）である。図５に解析モデルを示す。
図５に示すように、４本の溶接ビードの母材側止端を左上から時計回りにＬＵ、ＲＵ、ＲＬ、ＬＬと呼ぶこととする。
【００１５】
解析に先立って行ったマクロ試験の結果、上下のリブが１ｍｍずれていること、母材とリブの間に長さ４ｍｍの未溶着部が存在することを確認したので、解析モデルにおいても下リブを１ｍｍ左側へずらし、母材とリブ間には４×０．００５ｍｍの未溶着部を設けた。疲労試験においては、疲労き裂は溶接止端から発生したので、本解析では溶接止端近傍の要素を細かくし、最小要素寸法は、０．０３７５ｍｍとした。溶接止端近傍の形状については、疲労試験に使用した試験片の溶接ビード形状をレーザ変位計により計測し、その結果を解析モデルに反映させた。
【００１６】
疲労試験に使用した試験片の母材の長さは５００ｍｍであったが、解析モデルの長さが解析結果に及ぼす影響は少ないと考え、図５に示すように母材の長さを１０２ｍｍとした。また、これに伴って、ＧＦＲＰの長さをリブの端部から３６ｍｍと疲労試験で用いたＧＦＲＰの長さより短くした。ＧＦＲＰの長さを短くしたことが溶接止端の応力に及ぼす影響について調査したが、ＧＦＲＰの長さの影響は認められなかった。
有限要素分割の一例を図６に示す。
【００１７】
解析にあたっては、図５に示す、母材の左端の全節点を６自由度拘束とし、母材の右端に公称応力σｎが１ＭＰａとなるように引張荷重を載荷した。
解析に用いた材料の機械的性質を表２に示す。表中のＧＦＲＰの弾性係数は繊維方向の弾性係数であり、一方向材の繊維と直交する方向の弾性係数は、表に示した値の１／１０とした。
無補強モデル（ケース１）と、疲労試験におけるＲ２の補強をモデル化した、厚さ０．６ｍｍのＧＦＲＰをプライマー（厚さ０．３ｍｍ）を用いて２層貼付した補強モデル（ケース２）について解析を行った。
【００１８】
【表２】
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【００１９】
ケース１とケース２のＬＵにおける荷重軸方向の応力σｘの分布を図７に示す。
ケース１とケース２とを比較すると、ケース２では、ＧＦＲＰを貼付したことにより、高応力域の拡がりが小さくなり、高応力域がケース１より緩和されていることがわかる。
ケース１、ケース２の各溶接止端の応力集中係数の減少率を表３に示す。ここでいう応力集中係数とは、溶接止端のσｘの最大値を公称応力σｎで除した値である。
ケース２では、応力集中係数がすべての溶接止端でケース１より減少しており、ＧＦＲＰの効果が確認される。表３より、ＧＦＲＰを貼付することによる応力集中係数の減少率は最大１５％であることがわかる。
【００２０】
【表３】
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【００２１】
ここで、ＧＦＲＰを貼付することによる応力の低減効果について考察する。
図８に、応力集中の影響のない平行部（図中のＸ−Ｘ断面）の板厚方向の応力分布を示す。
図８から、ＧＦＲＰを貼付することにより、鋼板部分の応力が低減されていることがわかる。鋼板部分の応力は、ケース１では１．００ＭＰａ、ケース２で約０．９７ＭＰａとなっており、ＧＦＲＰを貼付することにより応力が約３．０％低減されていることが確認できる。
しかしながら、前述のように、溶接止端での応力集中係数の減少率は１５．０％であり、図８の結果からでは、ＧＦＲＰを貼付することによる応力の低減を必ずしも説明できない。
【００２２】
そこで、ケース１に０．３ｍｍのプライマーを塗布しただけのモデル（ケース３）についての解析を行った。表４に、ケース１、ケース３の各溶接止端における応力集中係数およびプライマーを塗布することによる応力集中係数の減少率を示す。
表４より、プライマーを塗布するだけでも、応力の低減効果があることがわかる（最大で１１．１％、最小でも８．５％）。しかし、図８より、プライマーに発生している応力はほぼ０であり、荷重を負担していないといえる。それにも拘わらず応力が低減しているのは、プライマーを溶接部に塗布したことにより、プライマーが溶接部の凹凸を埋め、溶接ビード形状を滑らかにし、溶接部を仕上げることによる効果と類似した効果が発揮されたからではないかと推察される。
【００２３】
【表４】
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【００２４】
従って、ＧＦＲＰをプライマーで貼付することによる応力の低減は、ＧＦＲＰが荷重を負担して応力を低減させる効果と、プライマーが溶接部を仕上げることに類似した効果との、相乗効果によるものと考えられる。この考えに基づいて、ケース２のＬＵの応力集中係数をケース１のＬＵから求めると次のようになる。
α２＝α１×（１−Ｇ／１００）×（１−Ａ／１００）
ここで、α２：ケース２のＬＵの応力集中係数
α１：ケース１のＬＵの応力集中係数
Ｇ：ＧＦＲＰを貼付することによる応力の減少率％
Ａ：プライマーを塗布することによる応力の減少率％
ここに各数値を代入して計算すると、
2.16＝2.46×（1−3.0／100）×（1−8.5／100）
≒2.18
となり、計算から得られた応力集中係数は、疲労試験で用いた試験片（Ｒ２）をモデル化したケース２の解析結果と良い一致を示していることが確認できた。
【００２５】
プライマーの厚さの影響について、さらに解析的に検討した。
ケース２でのプライマーの厚さは０．３ｍｍであるが、このプライマーの厚さを０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、０．９ｍｍおよび１．０ｍｍと変えて解析した。なお、ＧＦＲＰ、プライマーの弾性係数およびＧＦＲＰの厚さはケース２と同じとした。
図９に、ＬＵの応力集中係数比とプライマーの厚さとの関係を示す。なお、プライマーの厚さ（ｍｍ）が「０」は、ケース１の場合を示す。
【００２６】
図９より、無補強のモデル（ケース１）が最も応力集中が大きくなっており、ＧＦＲＰを貼付したモデルにおいては、プライマーの厚さによる応力集中の違いはほとんど見られず、応力集中係数比は、ほぼ０．８８で一定となっていることがわかる。実施工においては、溶接部位の形状・環境等の制約が厳しいことが想定され、プライマーの厚さを解析で使用した０．３ｍｍ程度にすることは困難であると考えられるが、図９によれば、プライマーの厚さの影響は大きくないので、実用上は、厚さ１．０ｍｍ以下程度を目安にすればよいものと考えられる。
【００２７】
本発明として適用して好適なプライマーを例示すると、例えば、主成分がエポキシアクリレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。硬化形態としては、２液性常温硬化型、１液性紫外線硬化型、１液性湿気硬化型等が挙げられる。なお、約１ｍｍ程度までの塗布厚さとすることが可能なものであることが好ましい。
【００２８】
次に、母材にガセットをすみ肉溶接により取り付けた面外ガセット溶接継手にプライマーを塗布した場合の予防保全の効果を確認する実験を行った。
試験片形状を図１０に示す。母材に対してガセットは上下対象に溶接されている。試験片の材質はＳＭ４００Ａである。この試験片の回し溶接部に、図１０のようにエポキシアクリレート系の常温硬化型２液性プライマーを塗布して、その効果を確認した。以下、無補強試験片をＧｎ、補強試験片をＧｐと記す。繰り返し引っ張り・圧縮荷重は試験片の長手方向に負荷した。
鋼板およびプライマーの機械的性質を表５に示す。
【００２９】
【表５】
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【００３０】
図１１に疲労試験結果を示す。図の右向きの矢印は、非破壊を表している。図１１には，各シリーズの疲労試験結果の回帰線も示した。
ＧｎとＧｐの回帰線を比較すると、Ｇｐの回帰線がＧｎの回帰線より上方にシフトしていることが判る。また、５００万回を疲労限の一つの目安とすると、ＧｎはΔσ≦７０ＭＰａ、ＧｐはΔσ≦１００ＭＰａであれば、疲労き裂の発生を防止することができることが判る。
図１２に応力拡大係数範囲とき裂進展速度の関係を示す。図１２には、ＧｎおよびＧｐの回帰線を示した。図１２より、Ｇｐはき裂がプライマーを塗布した範囲を越えて進展した初期段階だけき裂進展速度を遅延しており、き裂の進展が進むとＧｎとの違いは見られなくなる。
【００３１】
以上で得られたデータを元にして、８節点ソリッド要素を用いた弾性ＦＥＭ解析を行った。解析モデルは、図１０に示したすみ肉溶接による面外ガセット溶接継手を解析対象とし、対称性を考慮して１／８モデルとした。また、解析モデルにおいては、母材とガセットの間には４．５×０．１×６０ｍｍの未溶着部を設けた。溶接止端近傍については、疲労試験に使用した試験片の溶接ビード形状をレーザ変位計により計測し、その結果を解析モデルに反映させた。
解析は無補強モデル（Ｇｎ）と、溶接部にプライマー（厚さ０．３ｍｍ）だけを塗布したモデル（Ｇｐ）の２ケースについて行った。解析で用いた材料の機械的性質は表５と同じである。
【００３２】
解析の結果得られたＧｎおよびＧｐの応力集中係数およびＧｎとの比較を表６に示す。ここで言う応力集中係数とは、溶接止端の荷重軸方向応力の最大値を公称応力σnで除した値である。表６から、応力集中係数は、プライマーを塗布することにより２．３％低減されており、プライマーを塗布することによる効果が確認された。
【００３３】
【表６】
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【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、鋼製橋梁等の、繰り返し応力の作用する鋼構造体の予防保全に適用するのに極めて適している。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の確証実験に用いた無補強試験片を示す図である。
【図２】本発明の確証実験に用いた補強試験片を示す図である。
【図３】本発明の確証実験の疲労試験のＳ−Ｎ線図である。
【図４】本発明の確証実験の疲労試験の結果とその回帰線を示すグラフである。
【図５】本発明の解析対象とした荷重非伝達型溶接継手（非仕上げのすみ肉溶接継手）の解析モデルを示す図である。
【図６】本発明の解析対象とした継手の有限要素分割の一例を示す図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）はＬＵ部拡大図を示す。
【図７】ケース１とケース２のＬＵにおける荷重軸方向の応力σｘの分布をに示す図であり、（ａ）は表３におけるケース１の場合、（ｂ）は同ケース２の場合である。
【図８】応力集中の影響のない平行部（図中のＸ−Ｘ断面）の板厚方向の応力分布を示す図である。
【図９】ＬＵの応力集中係数比とプライマーの厚さとの関係を示す図である。
【図１０】母材にガセットをすみ肉溶接により取り付けた面外ガセット溶接継手の試験片形状を示す図である。
【図１１】面外ガセット溶接継手における疲労試験結果を示すグラフである。
【図１２】面外ガセット溶接継手の疲労試験における応力拡大係数範囲とき裂進展速度の関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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