(57)【要約】【課題】繰り返し載荷を受ける鋼製桁に生じた疲労亀裂の進展を防止するとともに、亀裂発生によって低下した強度を回復させることができる補修方法を提供する。【解決手段】繰り返し載荷を受ける鋼製桁１に生じた疲労亀裂２の内部に、エポキシ樹脂またはウレタン樹脂などの樹脂を注入するとともに、その疲労亀裂２の周囲に繊維含有強化材４を貼り付け、疲労亀裂の進展を抑制する。繊維含有強化材４としては、例えば炭素繊維のストランドをシート状に加工したものを用いることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繰り返し載荷を受ける鋼製桁に生じた疲労亀裂の内部に樹脂を注入するとともに、その疲労亀裂の周囲に繊維含有強化材を貼り付け、疲労亀裂の進展を抑制することを特徴とする鋼製桁に生じた疲労亀裂の補修方法。
【請求項２】
樹脂としてエポキシ樹脂またはウレタン樹脂を用いることを特徴とする請求項１記載の鋼製桁に生じた疲労亀裂の補修方法。
【請求項３】
繊維含有強化材として、炭素繊維のストランドをシート状に加工したものを用いることを特徴とする請求項１記載の鋼製桁に生じた疲労亀裂の補修方法。
【請求項４】
繊維含有強化材として、炭素繊維を熱硬化性樹脂に含浸させ、板状に成形硬化させたものを用いることを特徴とする請求項１記載の鋼製桁に生じた疲労亀裂の補修方法。
【請求項５】
繰り返し載荷を受ける鋼製桁が、天井走行クレーンの桁であることを特徴とする請求項１記載の鋼製桁に生じた疲労亀裂の補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繰り返し載荷を受ける鋼製桁に生じた疲労亀裂の補修方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
製鉄工場や鋼材倉庫などには、重量物を運搬するために天井クレーンが設置されている。天井クレーンはクレーンガーダーと呼ばれる鋼製桁の上面に敷設された軌条上を走行する構造となっている。このような鋼製桁は天井クレーンの移動に伴い繰り返し載荷を受けるため、長期間使用すると疲労亀裂が発生することがある。
【０００３】
図１、図２は疲労亀裂が発生し易い部位の説明図であり、上フランジ溶接部亀裂、下フランジ溶接部亀裂、三角リブ下亀裂、下駄溶接部亀裂、下フランジ補強プレート溶接部亀裂などが図示されている。
【０００４】
このような疲労亀裂は放置すると進展し、クレーンガーダーの折損という大事故に至る可能性があるから、早期に発見して補修する必要がある。
【０００５】
疲労亀裂の補修方法としては、特許文献１，２に示されたように、亀裂の内部に微粉を注入する方法が知られている。特許文献１には、粒径が０，０５μｍ程度のシリカ粒子をインク液のような浸透剤に混ぜて亀裂内に注入し、亀裂先端部に目詰まりさせる方法が開示されている。これによって繰り返し載荷を受けた際の疲労亀裂先端部の開口変位が抑制され、亀裂進展速度を１/１０以下に抑制できると説明されている。
【０００６】
また特許文献２には、低粘性の油に粒径が１００μｍ以下の高硬度の粒子を混合したペーストを亀裂内に充填し、疲労亀裂の進展を抑制する方法が開示されている。
【０００７】
しかしこれらの方法は何れも、既に発生した疲労亀裂の進展を抑制するにとどまり、亀裂発生によって低下した強度を回復させる効果は期待できないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−５７５３２号公報
【特許文献２】特開２０１１−６２８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、繰り返し載荷を受ける鋼製桁に生じた疲労亀裂の進展を防止するとともに、亀裂発生によって低下した強度を回復させることができる鋼製桁に生じた疲労亀裂の補修方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するためになされた本発明は、繰り返し載荷を受ける鋼製桁に生じた疲労亀裂の内部に樹脂を注入するとともに、その疲労亀裂の周囲に繊維含有強化材を貼り付け、疲労亀裂の進展を抑制することを特徴とするものである。
【００１１】
なお、樹脂としてエポキシ樹脂またはウレタン樹脂を用いることが好ましい。また繊維含有強化材として、炭素繊維のストランドをシート状に加工したものや、炭素繊維を熱硬化性樹脂に含浸させ、板状に成形硬化させたものを用いることが好ましいが、炭素繊維以外でもアラミド繊維、ガラス繊維、タングステンやボロンを始めとする繊維強化金属系複合材料の強化繊維、引張歪みの小さいFRPなどのプラスティック製品でも良い。また繰り返し載荷を受ける鋼製桁は、例えば天井走行クレーンの桁である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の補修方法によれば、鋼製桁に生じた疲労亀裂の内部に樹脂を注入することにより、疲労亀裂の進展を防止することができる。すなわち、疲労亀裂の内部が空洞のままであるときは繰り返し応力による亀裂先端部の開口変位幅が大きいが、疲労亀裂の内部に樹脂が充填されると亀裂先端部の開口変位幅が小さくなり、疲労亀裂の進展が防止される。なお、樹脂が硬化して流動性が失われた後は疲労亀裂進展防止硬化は減少するため、樹脂注入後に疲労亀裂がさらに進展するとこの効果は低減するといわれている（特許文献２）。
【００１３】
しかし本発明の補修方法によれば、単に疲労亀裂の内部に樹脂を注入するのみならず、その疲労亀裂の周囲に繊維含有強化材を貼り付ける。これによって亀裂発生に伴って低下した鋼製桁の強度を回復させることができるから、繰り返し応力による亀裂先端部の開口変位が抑制される、その結果、樹脂注入後に疲労亀裂がさらに進展することが防止されるので、単に樹脂を注入しただけの場合に比較して、疲労強度を大幅に向上させることができる。
【００１４】
なお、鋼製桁の疲労亀裂が生じた部位に肉盛溶接を行う補修方法も一般的であるが、溶接熱によって母材の性状が変化するおそれがある。また、添え板をボルト止めする方法もあるが、ボルト穴によって既存のフランジに断面欠損が生じてしまい、恒久的な補修が大がかりな工事となるおそれがある。これに対して本発明の補修方法によれが、母材を痛めることがない利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】鋼製桁の疲労亀裂が発生し易い部位の説明図である。
【図２】鋼製桁の疲労亀裂が発生し易い部位の説明図である。
【図３】鋼製桁の下フランジの補修例を示す斜視図である。
【図４】亀裂部分の模式的な拡大断面図である。
【図５】炭素繊維のストランドをシート状に加工した繊維含有強化材を示す平面図である。
【図６】炭素繊維を熱硬化性樹脂に含浸させ、板状に成形硬化させた繊維含有強化材を示す平面図である。
【図７】疲労試験の試験片を示す平面図である。
【図８】疲労試験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に本発明の実施形態を説明する。
図３は鋼製桁１の下フランジに疲労亀裂２が生じた場合の補修例を示す説明図であり、図４は亀裂部分の模式的な拡大断面図である。この鋼製桁１は例えば天井走行クレーンのクレーンガーダーであるが、これに限定されるものではない。
【００１７】
先ず補修部位をサンダー等の工具を用いて下地処理し、鋼製桁１の表面に付着している塗料その他の異物を取り除いたうえ、鋼製桁１の表面をプライマー処理し、疲労亀裂２の内部に樹脂３を注入する。樹脂としてはエポキシ樹脂またはウレタン樹脂を用いることができるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。樹脂は亀裂の先端まで進入できるように低粘性の状態で注入される。先行技術文献に示されたように樹脂中にシリカ、アルミナ等の微粉を分散させることもできるが、本発明では樹脂のみとしても十分である。
【００１８】
次に疲労亀裂２の周囲に繊維含有強化材４を貼り付ける。繊維含有強化材４としては、例えば炭素繊維材を用いることができる。前記したように、炭素繊維以外でもアラミド繊維、ガラス繊維、タングステンやボロンを始めとする繊維強化金属系複合材料の強化繊維、引張歪みの小さいFRPなどを用いることも可能である。炭素繊維材は鉄鋼の約１０倍の強度を有するが繊維状のままでは取扱いにくいため、本実施形態では炭素繊維のストランドをシート状に加工したものや、炭素繊維を熱硬化性樹脂に含浸させ、板状に成形硬化させたものを用いる。
【００１９】
前者は新日鉄住金マテリアルズ株式会社からストランドシートの商品名で市販されており、図５に示すように炭素繊維を樹脂で棒状に固めたストランド５を多数本平行に配置し、それらの間を紐状樹脂６により連結した構造のものである。この炭素繊維材はすだれと同様の構造を備えており、自由に屈曲させることができるので、鋼製桁１の表面が平面でない場合にも、密着させることができる。
【００２０】
また後者は新日鉄住金マテリアルズ株式会社からトウプレートの商品名で市販されており、図６に示すような一定幅の平板であるから、鋼製桁１の表面が平面である場合に適している。これらの引張強度とヤング率は表１に示す通りである。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
上記したような繊維含有強化材４を、接着剤によって鋼製桁１の表面に貼り付ける。本実施形態では接着剤として２液・常温硬化型のエポキシ樹脂を用いたが、接着強度が得られるものであれば必ずしもこれに限定されるものではない。
【００２３】
この結果、疲労亀裂２の進行が防止されるのみならず、疲労亀裂２が発生した部位の周囲の鋼材が繊維含有強化材４によって補強されるので、疲労強度を大幅に向上させることができる。
【００２４】
本発明の効果を確認するため、試験片を作成して引張疲労試験を行なった。試験片は図７に示すように、板厚６ｍｍ、板幅６０ｍｍ、全長３００ｍｍのＳＭ４９０材であり、疲労亀裂を模擬するためにその片側端面から１５ｍｍの長さにわたり０．２５ｍｍ幅でワイヤカットした。
【００２５】
試験片は同一のものを３枚作成し、１枚にはワイヤカットした亀裂内に軟質ウレタン樹脂を注入したうえ、表面に前記したストランドシートをエポキシ樹脂で接着した。他の１枚には、ワイヤカットした亀裂内に硬質エポキシ樹脂を注入し、表面に前記したストランドシートをエポキシ樹脂で接着した。残りの１枚は補修を行なわずそのままとし、比較品とした。
【００２６】
これらの３種類の試験片を鷺宮製作所製の電気油圧式疲労試験機にそれぞれセットし、最大応力２２２.２ＭＰａ、最小応力２２.２ＭＰａの繰り返し荷重を加え、疲労破損するまでの寿命を測定した。その結果を図８に示した。
【００２７】
すなわち、補修なしの試験片は３.２５×１０３回で亀裂部から破断したが、本発明品であるウレタン樹脂を注入した試験片は６.６９×１０４回で亀裂部から破断し、本発明品であるエポキシ樹脂を注入した試験片は５.６９×１０４回で亀裂部から破断した。このように破断に至るまでの繰り返し回数は、補修なしの場合の約２０倍となった。なお、破断時にもストランドシート自体は破損されることなく、そのままであった。
【００２８】
以上に説明したように、本発明によれば繰り返し載荷を受ける鋼製桁に生じた疲労亀裂の進展を防止するとともに、亀裂発生によって低下した強度を回復させることができ、鋼製桁の使用寿命を大幅に延長することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１  鋼製桁
２  疲労亀裂
３  樹脂
４  繊維含有強化材
５  ストランド
６  紐状樹脂
【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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