(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の表面を薄板で覆い、該薄板の外縁全周で該薄板と該構造物との間を封着する薄板被覆構造物において、該薄板と該構造物との間の空隙に非圧縮性物質を充填してなることを特徴とする薄板被覆構造物。
【請求項２】
構造物と薄板が共に金属材料であり、薄板と構造物との封着部が溶接構造であることを特徴とする請求項１記載の薄板被覆構造物。
【請求項３】
非圧縮性物質が防錆剤を含む水であることを特徴とする請求項２記載の薄板被覆構造物。
【請求項４】
非圧縮性物質がセメントミルクであることを特徴とする請求項１又は２記載の薄板被覆構造物。
【請求項５】
薄板がチタンクラッド鋼板であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の薄板被覆構造物。
【請求項６】
薄板がステンレス鋼板であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の薄板被覆構造物。
【請求項７】
構造物の表面を薄板で覆い、該薄板の外縁全周で該薄板と該構造物との間を一部を除いて封着し、該薄板と該構造物との間の空隙に非圧縮性物質を注入して充填し、該薄板と該構造物との間を全周において封着することを特徴とする薄板被覆構造物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄板で被覆した構造物に関し、特に薄板の表面に繰り返し変動圧力がかかっても薄板と構造物との封着部に繰り返し応力がかかることを防止する薄板被覆構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
構造物の表面を薄板で覆い、薄板の外縁全周で薄板と構造物との間を封着して構造物の表面が周辺環境に触れないようにした薄板被覆構造物が知られている。構造物が周辺環境によって腐食を受ける場合であって、腐食を防止するために周辺環境に腐食されない材質の薄板で構造物を覆う場合に特に有用である。薄板と構造物との接触表面を面で接着できない場合は、薄板の外縁全周において薄板と構造物とを封着することが行われる。例えば、鋼製の海洋構造物において、特に腐食を受けやすい海上部と海中部の境界のスプラッシュゾーンについては、常時濡れた状態で空気と接するために最も腐食が激しい場所であるため、構造物の表面をチタンクラッド鋼板で覆い、チタンクラッド鋼板の外縁全周においてチタンクラッド鋼板の母材鋼板部と鋼製構造物との間を溶接して密封し、スプラッシュゾーンにおける鋼製構造物の表面が腐食されるのを防止する。
【０００３】
薄板はその外縁全周でのみ構造物と固着しており、薄板の表面の外界の圧力が変動する場合、薄板はその圧力変動に応じて構造物の外側に向けて膨れようとする変形を受ける。薄板と構造物は薄板の外縁全周で封着されているため、外界との間で空気の出入りはない。薄板と構造物との間が図４に示すように完全に密着しているか、空隙があってもごく僅かである場合は、薄板が外界の圧力変動に応じて変形し外側に向かって膨れようとすると、その変形による該空隙の増大で空隙内の気体例えば空気が大幅に膨張することを余儀なくされるために負圧発生量も多くなって薄板が外側に膨れるのを防止することができる。しかし、薄板と構造物との間に図３に示すように比較的大きな空隙が存在する場合には、その空隙内の気体の量が多いために薄板が外側に膨れた場合の気体の体積変動が小さいため負圧発生量が少なく、薄板が外側に膨れることを阻止することができない。結果として薄板が繰り返し変形を受けると、薄板を構造物に固定している薄板の外縁の封着部（鋼製構造物であれば溶接部）が薄板の変形に伴って繰り返し荷重を受けるため、封着部の疲労破壊を防止する対策を取る必要がある。例えば、海洋構造物のスプラッシュゾーンにおいてチタンクラッド鋼板被覆されているような場合、特に暴風時の大きな波浪が押し寄せ退くときに該チタンクラッド鋼板が受ける繰り返し圧力変動によるチタンクラッド鋼板外縁溶接部の繰り返し荷重対策が必要となる。また、地上に立設された鋼製構造物の表面がステンレス薄板で覆われている場合、強風が吹くと風下側には負圧領域が生じ、ステンレス薄板表面は繰り返し圧力変動を受けるので、同じ問題を抱えることとなる。
【０００４】
薄板が平板であり、該薄板が覆うべき構造物の表面も平面である場合、双方が凹凸のきわめて少ない平坦面であれば、両者を薄板の外縁全周で封着した後の両者間の空隙は存在しないかあるいはきわめて僅かである。しかし、鋼板を溶接によって組み立てて構造物を製造する場合、その表面を凹凸のきわめて少ない平坦面にすることは非常に困難である。構造物の表面を構成する鋼板は、剛性を確保するために裏面に井桁状にリブを組んで鋼板に溶接される場合があるが、リブの溶接部の熱影響によって表面の鋼板が変形し、痩せ馬といわれる凹凸が生じる。このような凹凸を持った構造物表面に平板の薄板を封着した場合、構造物表面の凹部と薄板との間には空隙が生じ、この空隙には圧縮性気体である空気が充満しているので、上記したように表面の圧力変動に対して薄板の変形を阻止することができなくなる。
【０００５】
薄板の外縁の封着部が隅肉溶接構造である場合、溶接部の肉盛を大きくして薄板変形時の溶接部の最大発生応力を小さくする手段があるが、その効果はごく僅かであって十分ではない。また、薄板と構造物との固着部を薄板の外縁全周部のみでなく面内にも固着部を設ける手段があるが、溶接施工に伴う製造コストの増大が問題となる。特に薄板がチタンクラッド鋼板のような異種金属接合鋼板である場合、異種金属の溶接接合による溶接部の材質劣化を防止するためには、コストの高い溶接施工が必要となって更に大きなコスト増大を伴う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、構造物の表面を薄板で覆い、該薄板の外縁全周で該薄板と該構造物との間を封着する薄板被覆構造物において、該構造物の表面に凹凸があり薄板と構造物との間に空隙が存在する場合であっても、薄板表面の外界の圧力変動に伴う薄板の変形を防止し、薄板と構造物との間の封着部の疲労破壊を防止する薄板被覆構造物およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。その第１は、構造物の表面を薄板で覆い、該薄板の外縁全周で該薄板と該構造物との間を封着する薄板被覆構造物において、該薄板と該構造物との間の空隙に非圧縮性物質を充填してなることを特徴とする薄板被覆構造物である。構造物と薄板が共に金属材料であり、薄板と構造物との封着部が溶接構造であってもよい。非圧縮性物質は防錆剤を含む水あるいはセメントミルクとすることができる。薄板はチタンクラッド鋼板、あるいはステンレス鋼板とすることができる。
【０００８】
その第２は、構造物の表面を薄板で覆い、該薄板の外縁全周で該薄板と該構造物との間を一部を除いて封着し、該薄板と該構造物との間の空隙に非圧縮性物質を注入して充填し、該薄板と該構造物との間を全周において封着することを特徴とする薄板被覆構造物の製造方法である。
ここで、薄板の外縁全周で薄板と構造物との間を封着するとは、薄板と構造物とに囲まれる空間（空隙）と外界との間の気体の出入りがないように密封しつつ、薄板と構造物とを固着することをいう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
薄板と構造物との空隙に充満しているのは空気を代表とする気体である。気体は、圧力の変動を受けると体積が大幅に変化するいわゆる圧縮性を有する物質である。それに対し、液体及び固体は、僅かな圧縮性はあるものの、気体と比較すると圧倒的に圧縮性が少ない、すなわち非圧縮性物質であるといえる。薄板と構造物との間の空隙に液体あるいは固体を注入して充填すれば、圧縮性物質である気体が排除され、結果として非圧縮性物質で空隙が充填されることとなる。その結果、たとえ薄板と構造物との間に空隙が存在していても、薄板の表面が受ける圧力が変動しても薄板が変形を受けることを阻止できる。薄板と構造物との間は薄板の外縁全周で封着されており、空隙は外界と遮断されているので、薄板が外側に膨れて変形しようとすると、空隙に僅かに残った気体があったとしてもそれが極端に大きく体積膨張し、空隙の圧力が大幅に低下するので結果として薄板が外側に膨れて変形することを阻止できるのである。
【００１０】
薄板と構造物との間の空隙を充填する非圧縮性物質は、液体でも固体でもかまわない。液体であれば空隙に注入することが容易であるが、セメントミルクのような硬化する物質であれば、注入時は液体であって注入が可能であり、注入後に硬化して固体となり不変の形態で充填物質を形成する。
【００１１】
液体としては水が最も手に入りやすい物質である。構造物や薄板が鋼製である場合、空隙に充填した水が構造物等を腐食することが懸念されるが、水に防錆剤を添加することで腐食を防ぐことができる。防錆剤としては硝酸カルシウム、硝酸鉛、酸化亜鉛の他、クロム酸塩−重合リン酸塩、クロム酸塩−亜鉛塩、クロム酸塩−有機物等、多種のものの中から選択して用いることができる。構造物が寒冷地で用いられる場合、充填した水が凍結して体積膨張し薄板を破損することを防止するため、水に凝固点降下剤を添加することも有効である。
【００１２】
セメントミルクは、セメント（無機系微粉末セメント）と水との混合物であり、通常、水とセメントの重量混合比（水／セメント＝水比）で５０〜８０％とする。セメントミルクは、ｐＨが１２程度であり、硬化したセメントミルクと接触する鋼材を不動態化させ防食状態とする。セメントミルク混練時には、例えば水比６５％の場合で、粘度８５ｃｐの低粘性のスラリー状態である。注入後数時間で硬化をはじめ、３日で１７０ｋｇ／ｃｍ2 程度の圧縮強度となる。２８日では４００ｋｇ／ｃｍ2 程度にもなり、外力に対して十分な強度を有する。水比を大きくすると圧縮強度が低下する特性があり、この特性を利用して強度を調整することができる。
【００１３】
構造物と薄板が共に金属製である場合、薄板の外縁全周での薄板と構造物との封着部は溶接構造とすることができる。薄板の厚さが３ｍｍ以上であれば、隅肉溶接によって接合することができる。薄板の外縁全周のうち、上部の一部を除いて隅肉溶接を行い、薄板と構造物との間を密封する。しかる後、薄板と構造物との間の空隙に非圧縮性物質を注入して充填し、最後に残った一部の隅肉溶接を行って薄板と構造物との間を完全に密封する。また、封着部はろう付け接合とすることも可能である。構造物と薄板が異種の物質であり、異種接合となる場合にろう付け接合は特に有用である。
【００１４】
構造物、薄板あるいはその双方が非金属である場合、例えば構造物が封孔処理されたコンクリートや御影石等であり、薄板としてビニール、ＦＲＰ等の場合は、本発明における封着を有機物による接着によって行うことができる。
【００１５】
構造物としては、鋼製構造物が代表的である。鋼以外では、アルミニウム、封孔処理されたコンクリート、岩石、ガラス等を用いることができる。
【００１６】
構造物を覆う薄板は、構造物の表面の腐食を防止する目的で設置するステンレス鋼薄板、チタン板と母材の鋼板とを冶金的に接合したチタンクラッド鋼板が代表的である。薄板の厚みには制限はないが、構造物の縦表面を被覆する薄板の場合、空隙に充填した液体の静水圧で薄板が変形して膨れない程度の厚みは必要である。
【００１７】
本発明は、薄板及びその薄板で被覆する構造物表面が平板である場合あるいは薄板で被覆した部分が内側に凹となっている場合に特に有用である。例えば円筒状の構造物の表面にその構造物の形状に沿った形の薄板を被覆する場合、薄板表面の圧力の変化で薄板が膨れようとしても、薄板自身の円周方向の張力で膨れることが阻止されるため、薄板の変形が阻止されるが、薄板が平板の場合には薄板の膨れを阻止する上で薄板の張力がほとんど効果を持たないので、本発明が有効に機能するわけである。
【００１８】
【実施例】
（実施例１）
図１に示す海洋構造物の鋼製脚柱１の海上部２１と海中部２３の境界をなすいわゆるスプラッシュゾーン２２において、表面に薄板としてチタンクラッド鋼板２を被覆した。チタンクラッド鋼板２は最大長さ７ｍ、幅１ｍ、チタン板８と鋼製母材７との合計の厚さは５ｍｍであった。このチタンクラッド鋼板２を鋼製脚柱１に密着し、チタンクラッド鋼板２の外縁全周の鋼製母材部と鋼製脚柱との間を隅肉溶接４して両者を封着する。複数のチタンクラッド鋼板を隙間なく並べて鋼製脚柱に接合し、鋼製脚柱の全周のスプラッシュゾーンをチタンクラッド鋼板で覆った。鋼製脚柱１の表面を構成する鋼板３は、剛性を確保するために裏面に井桁状にリブ６を組んで鋼板３に溶接されているため、リブ６の溶接部の熱影響によって表面の鋼板３が変形し、痩せ馬といわれる凹凸が生じる。このような鋼製脚柱の表面に平板のチタンクラッド鋼板２を接合すると、チタンクラッド鋼板と鋼製脚柱の表面の間には最大で５ｍｍから１０ｍｍの空隙９が生ずる。この状況を図３に示す。この空隙９には圧縮性気体である空気が充満している。一方、チタンクラッド鋼板の表面には波浪が当たっては引いていくが、このときにチタンクラッド鋼板表面には繰り返し圧力変動が発生し、特に暴風時には０．２ｋｇ／ｃｍ2 を超える圧力変動を受けることとなる。チタンクラッド鋼板と鋼製脚柱との間の空隙が５ｍｍ以上あると、空隙に充満している空気が構成する弾性体のばね常数は小さく、この空気の負圧の増大ではチタンクラッド鋼板の変形を阻止することができず、チタンクラッド鋼板の外縁の隅肉溶接部に応力が集中する。本実施例の場合には有限要素法で計算した集中応力は１０００ｋｇ／ｃｍ2 を超え、このままでは繰り返し応力による疲労破壊が発生する。
【００１９】
本実施例においては、チタンクラッド鋼板を鋼製脚柱に溶接接合するに際し、その上部の１辺のみ一部未溶接部を残し、該未溶接部から防錆剤を添加した水を注入し、チタンクラッド鋼板と鋼製脚柱との間の空隙部を該防錆材を添加した水で充填した。しかる後に一部残した未溶接部をも隅肉溶接して密封した。防錆剤としては硝酸カルシウムを用い、水に対して２％添加した。防錆剤は上記に限らず、硝酸鉛、酸化亜鉛等を用いることが可能である。水は空気に比較すれば圧倒的に圧縮性が小さいので、チタンクラッド鋼板の表面の外界圧力が変動してもチタンクラッド鋼板の変形は小さく抑えられ、結果としてチタンクラッド鋼板接合部の隅肉溶接部４にかかる変動応力は有限要素法計算結果では２５０ｋｇ／ｃｍ2 未満となることが確かめられた。
【００２０】
（実施例２）
実施例１と同様の海洋構造物において、チタンクラッド鋼板と鋼製構造物との間に充填する非圧縮性物体をセメントミルクとした。水比（水／セメント重量比）を６５％とし、注入時の粘性が８５ｃｐの低粘性のスラリー状態で注入することができた。注入後数時間で硬化をはじめ、３日で１７０ｋｇ／ｃｍ2 程度の圧縮強度、２８日では４００ｋｇ／ｃｍ2 程度の圧縮強度となった。ｐＨが１２であり、セメントミルク充填部に面している鋼材の表面が不動態化され、表面の腐食を防止することができた。チタンクラッド鋼板接合部の溶接部にかかる変動応力は、実施例１と同様に低減することができた。
【００２１】
（実施例３）
鋼製橋脚のスプラッシュゾーンをステンレス鋼薄板で被覆し防食構造とした。ステンレス鋼にはステンレス３１６Ｌ、板厚０．６ｍｍのものを用い、薄板周辺の封着部は溶接材にＤ３０９ＭｏＬを用いた溶接構造とした。空隙部への充填には実施例２と同様のセメントミルクを用いた。ステンレス鋼板接合部の溶接部にかかる変動応力は、実施例１と同様に低減することができた。
【００２２】
（実施例４）
コンクリート製橋梁にステンレス鋼板薄板を被覆して防食構造とした。コンクリート表面は事前に浸透性封孔処理剤を塗装し、ステンレス鋼板としてＳＵＳ３１６を用い、ステンレス鋼板の周囲をエポキシ系接着樹脂で固定し封着した。橋梁とステンレス鋼板との間の空隙部には実施例２と同様のセメントミルクを注入した。ステンレス鋼板接合部のエポキシ系樹脂接合部にかかる変動応力は、実施例１と同様に低減することができた。
【００２３】
（実施例５）
実施例２において、複数のチタンクラッド鋼板２を並べて被覆し、スプラッシュゾーン２２の全体を被覆する場合において、隣り合ったチタンクラッド鋼板２の境界の溶接部４及び露出した構造物３の腐食を防止するため、図５に示すように隣接するチタンクラッド鋼板の間を架橋するごとくチタン製カバープレート１０を配置し、カバープレートの外縁全周でチタンクラッド鋼板のチタン板８との間を溶接接合（本実施例ではＴＩＧ溶接）して封着を行う。構造物の表面鋼板３、チタンクラッド鋼板２、チタン製カバープレート１０との間に空間が生じ、やはりチタン製カバープレート表面の負圧によって接合部の応力の問題が生じる。特に、カバープレート１０は板厚が１〜２ｍｍと薄いので、カバープレートの幅が１００ｍｍ程度であっても負圧によって接合部が影響を受ける。本実施例においては、この空隙部に実施例２と同様にセメントミルクを充填し、負圧による問題を解消した。カバープレートの下の空隙にセメントミルクを充填し、このセメントミルクが硬化することにより、カバープレートに異物が衝突して衝撃が加わった場合も、カバープレートが破損することを防止するという新たな効果をも奏することができる。
【００２４】
【発明の効果】
構造物の表面を薄板で覆い、該薄板の外縁全周で該薄板と該構造物との間を封着する薄板被覆構造物において、薄板と構造物との間に存在する空隙に非圧縮性物質である液体あるいは固体を充填することにより、薄板表面の圧力が変動する場合においても、薄板が外側に膨れて変形することを防止でき、薄板と構造物との間の接合部にかかる繰り返し応力を低減して該接合部の疲労破壊を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】構造物が海洋構造物の脚柱である場合の本発明の正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’断面のうち、スプラッシュゾーンの部分を拡大した本発明の断面図である。
【図３】図２と同一箇所の従来例であって構造物と薄板の間に空隙が存在する場合の断面図である。
【図４】図２と同一箇所の従来例であって構造物と薄板の間に空隙が存在しない場合の断面図である。
【図５】図２のチタンクラッド鋼板の継目部にカバープレートを配置した本発明の断面図である。
【符号の説明】
１  構造物（海洋構造物の脚柱）
２  薄板（チタンクラッド鋼板）
３  構造物の表面を構成する鋼板
４  薄板と構造物を封着する隅肉溶接部
５  空隙に充填した非圧縮性物質
６  リブ
７  チタンクラッド鋼板の鋼製母材
８  チタンクラッド鋼板のチタン板
９  薄板と構造物との間の空隙
１０  カバープレート
１１  チタン板とカバープレートとの溶接部
２１  海上部
２２  スプラッシュゾーン
２３  海中部
２４  海水面
２５  海底面
【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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