(57)【要約】【課題】簡単な構成によりスカラップ端部の疲労強度を向上させた鋼橋用の面外ガセットを提供すること。【解決手段】鋼橋内において主板１１に対して起立して溶接され、同じように主板１１に対して起立して溶接された垂直補剛材１３が交差することができるように、切り欠かれたスカラップ１５を備えるものであり、スカラップ１５は、その幅方向の中心位置に配置された垂直補剛材１３から主板１１に溶接されたスカラップ端部２０の溶接止端までの幅ｂが３５ｍｍを超える値で設計された鋼橋用の面外ガセット１２。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼橋内において主板に対して起立して溶接され、同じように前記主板に対して起立して溶接された垂直補剛材が交差することができるように、切り欠かれたスカラップを備える鋼橋用の面外ガセットにおいて、
前記スカラップは、その幅方向の中心位置に配置された前記垂直補剛材から前記主板に溶接されたスカラップ端部の溶接止端までの幅が３５ｍｍを超える値で設計されたものであることを特徴とする鋼橋用の面外ガセット。
【請求項２】
請求項１に記載する鋼橋用の面外ガセットにおいて、
前記スカラップは、前記垂直補剛材から前記スカラップ端部の溶接止端までの幅が５０ｍｍまでの値で設計されたものであることを特徴とする鋼橋用の面外ガセット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼橋内において鋼板に起立して溶接された面外ガセットに関し、特に溶接途中に垂直補剛材が通るスカラップを有する鋼橋用の面外ガセットに関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼橋で用いられる継手の一つに面外ガセットがある。図１０は、鋼橋内に設けられた面外ガセットを示した図である。この面外ガセット１０１は、主桁ウェブ１０２に対し直交方向に起立して溶接され、その面外ガセット１０１には、同じく主桁ウェブ１０２に起立して溶接された垂直補剛材１０３が中心位置を通っている。そのため面外ガセット１０１には、垂直補剛材１０３を避けるためのスカラップ１１０が形成されている。そして、その面外ガセット１０１には梁部材１０５が三方向から結合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１０７１８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この面外ガセット１０１は、荷重を受けることにより、特に溶接箇所のうち応力が集中するスカラップ端部１２０や終始端部１３０に疲労亀裂が生じやすい。そのため、終始端部１３０には、応力集中を低減させるため円弧状に張り出したフィレット１３１が形成されている。しかし、小さい切り欠きのスカラップ１１０は、溶接のための作業空間が狭くなるため、張出部分となるフィレットをスカラップ端部１２０に形成することは困難であった。また、前記特許文献１には、スカラップを有する梁板にＬ型添接板をボルトにより締結する構造が開示されている。しかし、それでは構造が複雑になり、鋼橋内に複数存在するスカラップ１１０毎に構成したのでは、作業上の手間を要し、コストもかかることになる。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、簡単な構成によりスカラップ端部の疲労強度を向上させた鋼橋用の面外ガセットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る鋼橋用の面外ガセットは、鋼橋内において主板に対して起立して溶接され、同じように前記主板に対して起立して溶接された垂直補剛材が交差することができるように、切り欠かれたスカラップを備えるものであり、前記スカラップは、その幅方向の中心位置に配置された前記垂直補剛材から前記主板に溶接されたスカラップ端部の溶接止端までの幅が３５ｍｍを超える値で設計されたものであることを特徴とする。
また、本発明に係る鋼橋用の面外ガセットは、前記スカラップが、前記垂直補剛材から前記スカラップ端部の溶接止端までの幅が５０ｍｍまでの値で設計されたものであることが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、面外ガセットのスカラップの幅が従来一般的に３５ｍｍで形成されていたのに対し、それよりも広い３５ｍｍを超える値で設計するようにしたため、面外ガセットのスカラップ端部の疲労強度を従来のものよりも向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】３次元ＦＥＭ解析を行うに当たり対象とした試験体を示した図であり、面外ガセットを直交方向から見た図である。
【図２】３次元ＦＥＭ解析を行うに当たり対象とした試験体を示した図であり、面外ガセットを水平方向から見た図である。
【図３】試験体の応力分布に影響を与えると考えられるパラメータを示した図である。
【図４】試験体の要素分割例を示した図である。
【図５】主板の板幅中心での応力分布をグラフにして示した図である。
【図６】解析ケースについて応力集中係数の最大値をグラフに示した図である。
【図７】主板の板厚方向の応力分布をグラフに示した図である。
【図８】疲労き裂進展寿命解析の結果を示した図である。
【図９】スカラップと主板の交点を原点にとったときの距離を示した図である。
【図１０】鋼橋内に設けられた面外ガセットを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明に係る鋼橋用の面外ガセットについて、その実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。先ず、ＪＳＳＣ（社団法人日本鋼構造協会）の疲労設計指針では、その形状や仕上げの有無等によって面外ガセットの疲労強度をＥ〜Ｇ等級に区分しているが、スカラップの疲労強度については触れられていない。そこで、面外ガセットをＥ等級とする必要が生じた場合、始終端部１３０は、図１０に示すようフィレット１３１を設けることでＥ等級を満足させることができる。
【００１０】
しかし、スカラップ端部１２０は、前述したようにフィレットが形成できないため、完全溶け込み溶接により止端仕上げをすることが必要になる。しかし、そうした溶接による仕上げであってもＥ等級を満たすことは困難と考えられる。例えば、図１０に示すスカラップ１１０のＲ部分１１１を８０ｍｍにし、そのモデル化したＦＥＭ解析及び疲労き裂進展寿命解析を実施した場合、スカラップ端部１２０の疲労強度が始終端部１３０と同程度であるとした結果が得られたとの発表がある。しかし、スカラップ形状等によっては疲労強度が異なることが予想されるため、Ｒ部分１１１の大きさの設定がスカラップ端部の疲労強度について有効なものではあるとはいえない。
【００１１】
そこで、本願発明者は、スカラップ端部の疲労強度に影響を与える要因について、解析的に検討した。すなわち、スカラップ端部の応力状態を把握するために３次元ＦＥＭ解析を行った。図１及び図２は、３次元ＦＥＭ解析を行うに当たり対象とした試験体を示した図であり、図１は面外ガセットを直交方向から見た図であり、図２はその面外ガセットを水平方向から見た図である。試験体１は、主桁ウェブ１０２に相当する主板１１に対して直交方向に起立した面外ガセット１２が溶接され、その中央には主板１１側に開いた山形の切り欠きによってスカラップ１５が形成されている。更に主板１１に対しては、直交方向に起立し、面外ガセット１２とは交差するようにスカラップ１５を通った垂直補剛材１３が溶接されている。主板１１、面外ガセット１２及び垂直補剛材１３は何れも長方形の鋼板である。
【００１２】
こうした試験体１の応力分布に影響を与えると考えられるパラメータを図３に示した。ｔｗは主板１１の板厚、ｈｖはスカラップ１５の高さ、ｔｖは垂直補剛材１３の板厚、ｂは垂直補剛材１３の表面からスカラップ１５の溶接止端までの幅、そしてｒはスカラップ１５のＲ部の曲率半径である。それぞれについて図３に示す数値を入れて解析を行った。図２に示す主板１１は、縦寸法が３００ｍｍで、横寸法が１０００ｍｍの寸法である。面外ガセット１２は、板厚が９ｍｍであり、主板１１に溶接される横寸法は６００ｍｍである。図４は、試験体１の要素分割例を示した図である。応力集中係数を算出するまわし溶接近傍の要素サイズは０．１ｍｍである。また、対称性を考慮して１／４モデルとした。
【００１３】
先ず図５は、主板１１の板幅中心での応力分布をグラフにして示した図であり、横軸にスカラップ端部２０からの距離をとり、縦軸に応力集中係数を示している。なお、スカラップ端部２０からの距離ｘは、図９に示すように、スカラップ１５と主板１１の交点（スカラップ１５の溶接止端）を原点にとったときの距離である。
【００１４】
ここでは、図３に示すパラメータｔｗ−ｔｖ−ｂの関係を、１１−１０−３５の場合（ケース１）と１１−１０−５０の場合（ケース２）について解析を行った（いずれも数値の単位はｍｍ）。すなわち、垂直補剛材１３の表面からスカラップ１５の溶接止端までの幅ｂを異なる値にしている。解析結果は、応力集中係数の値がスカラップ１５の溶接止端（原点）からの距離に従って変化し、図示するようにＡ〜Ｃの３箇所にピークが生じた。ピークＡは面外ガセット１２の終始端部２１（図１参照）であり、ピークＢはスカラップ端部２０、すなわち原点であるスカラップ１５の溶接止端である。そして、ピークＣは垂直補剛材１３の位置である。
【００１５】
ピークＢの値がピークＡよりも大きいことから、スカラップ１５の溶接止端（スカラップ端部２０）の応力集中係数は、面外ガセット１２の始終端部２１における応力集中係数よりも大きいことが分かる。これは主板１１が全体的には面外ガセット１２のない側に面外変形するが、スカラップ１５部分では、逆に面外ガセット１２側に変形することが関係していると考えられる。また、ピークＢにおいてケース１，２を比較してみると、垂直補剛材１３の表面からスカラップ１５の溶接止端までの幅ｂが大きいケース２が、応力集中係数が小さかった。すなわち、スカラップ１５の幅が大きいものほど応力集中係数が小さくなり、ｂの値が十分広くなればスカラップ端部２０は始終端部２１の応力分布に近づくと予想される。なお、始終端部２１については、スカラップ１５の形状によらず、応力集中係数はほぼ一定であった。
【００１６】
次に図６は、他の解析ケースについて応力集中係数の最大値をグラフに示した図である。この解析グラフは、横軸に垂直補剛材１３の板厚ｔｖをとり、縦軸にスカラップ端部２０における応力集中係数をとったものであり、特に垂直補剛材１３の板厚ｔｖが１０ｍｍ、１５ｍｍ、２５ｍｍにおける応力集中係数の最大値を示している。そして、図３に示すパラメータｔｗ−ｂの関係を、１１−３５の場合（ケース１１）と１１−５０の場合（ケース１２）、更に２５−３５の場合（ケース２１）と２５−５０の場合（ケース２２）について解析を行った（いずれも数値の単位はｍｍ）。
【００１７】
どのケースであっても垂直補剛材１３の板厚が厚くなるに従ってスカラップ端部２０における応力集中係数は増加した。これは、垂直補剛材１３による主板１１の拘束状態などが影響していると考えらえる。そして、主板１１の板厚ｔｗに着目すると、この場合も１１ｍｍから２５ｍｍに板厚が厚くなることで主板１１の剛性が高まり、スカラップ端部２０における応力集中係数が大きくなる板厚効果が認められた。また、主板１１の板厚ｔｗを同じにしたケース１１，１２そしてケース２１，２２のそれぞれでは、いずれも垂直補剛材１３の表面からスカラップ１５の溶接止端までの幅ｂが大きいケース１２，２２の方が応力集中係数が小さかった。
【００１８】
次に、スカラップの応力集中係数の最大値が最も大きいケースと最も小さいケースについて、溶接止端部の止端半径（溶接仕上げによって形成される溶接部のＲ）を考慮したＦＥＭ解析を行った。止端半径を２ｍｍ（２Ｒ）と５ｍｍ（５Ｒ）とし、始終端部およびスカラップ端部ともにモデル化した。なお、２Ｒは溶接そのままの状態であり、５Ｒは溶接仕上げを想定している。図７は、主板１１の板厚方向の応力分布をグラフに示した図である。そのグラフは、横軸に面外ガセット１２を溶接した主板１１表面から板厚方向の距離をとり、縦軸にはスカラップ端部２０および始終端部２１における応力集中係数をとったものである。
【００１９】
そして、図７に示すパラメータｔｗ−ｔｖ−ｂの関係を、１１−１０−５０（いずれも数値の単位はｍｍ）の場合における、スカラップ端部２０の止端半径を５ｍｍ（５Ｒ）の場合（ケース３１）と２ｍｍ（２Ｒ）の場合（ケース３２）とし、始終端部２１の止端半径を５ｍｍ（５Ｒ）の場合（ケース３３）と２ｍｍ（２Ｒ）の場合（ケース３４）とした。ここで、主板１１の板厚ｔｗ、垂直補剛材１３の板厚ｔｖおよびスカラップ１５の溶接止端までの幅ｂの値は、図５及び図６の結果から応力集中係数の値が小さくなる場合を選定した。
【００２０】
ケース３１と３３、そしてケース３２と３４をそれぞれ比較した場合、止端半径が同じ場合には、スカラップ端部２０と始終端部２１における応力分布の差は認められなかった。一方、止端半径が２Ｒと５Ｒの場合では、主板１１表面近傍において、スカラップ端部２０の止端半径が２Ｒのケース３２が最も応力集中係数が大きく、スカラップ端部２０の止端半径が５Ｒのケース３１との差が大きかった。
【００２１】
以上のＦＥＭ解析の検討結果より、破壊力学の手法を用いた疲労き裂進展寿命解析を行った。解析は、溶接止端部の止端半径を考慮した２Ｒと５Ｒのケースで、スカラップ端部２０と始終端部２１について行った。設計曲線としては、疲労設計指針の最安全設計曲線を用い、応力拡大係数範囲ΔＫ（ＭＰａ√ｍ）は、Ｆｇ．Ｆｅ．Ｆｓ．Ｆｔ．Δσ√（πａ）で算出した。その際、き裂形状は半楕円と仮定し、板厚方向と板幅方向のき裂長の比は、１／３とした。また、主板１１の板厚方向の初期き裂長を０．１ｍｍ、限界き裂長を主板１１の板厚×０．８とした。
【００２２】
ここで図８は、疲労き裂進展寿命解析の結果を示した図であり、それぞれのケースについて２００万回疲労強度を求めたものである。横軸には止端半径をとり、縦軸には２００万回疲労強度をとっている。疲労き裂進展寿命は、溶接部に入った疲労亀裂が所定の応力が繰り返し作用した場合に、破断するまでの繰り返し回数を計算したものあるが、ここで縦軸に示した２００万回疲労強度は、所定応力が２００万回繰り返し作用した場合に破断する当該所定応力を求めた値である。そこで、この解析結果からは止端半径が大きいほど強度は大きいことが分かる。また、主板１１の板厚ｔｗや垂直補剛材１３の板厚ｔｖはその板厚が薄く、スカラップ１５の溶接止端までの幅ｂが大きいほうが強度は大きかった。
【００２３】
よって以上のことから、面外ガセット１２のスカラップ１５の応力集中係数は、垂直補剛材１３からスカラップ端部２０の溶接止端までの幅ｂを大きくすることで低くすることができることが分かった。従来における面外ガセットのスカラップは、幅ｂの値が一般的に３５ｍｍで形成されていた。本実施形態では、そうした従来のスカラップよりも幅ｂの寸法が広く形成され、３５ｍｍを超える値で設計される。また、幅ｂの値が大きすぎる場合にはスカラップ端部２０から始終端部２１までの距離が短くなり、面外ガセット１２の溶接幅が小さくなるため、幅ｂの値を５０ｍｍまでとした。これにより、本実施形態の面外ガセットは、そのスカラップ端部の疲労強度を従来の面外ガセットよりも向上させることが可能になる。
【００２４】
以上、本発明に係る鋼橋用の面外ガセットについて一例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、主板１１を図１０に示す主桁ウェブ１０２に相当するものとして説明したが、面外ガセットが溶接される対象であれば主桁ウェブに限るものではない。
【符号の説明】
【００２５】
１    試験体
１１  主板
１２  面外ガセット
１３  垂直補剛材
１５  スカラップ
２０  スカラップ端部
２１  始終端部
【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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