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日本建築学会大会学術講演梗概集（東海） 2012 年 9 月

2 5 度狭開先適用した冷間成形角形鋼管―通しダイアフラム溶接接合部の実大 3 点曲げ破壊実験（試験体および実験概要）
鉄骨 造建 築物 の安 全性 向上 に資す る新 自動 溶接 技術 の開 発 その 1 7
正会員
水落 亮輔 * 1 服部 和徳 * 2
同
山田 丈富 * 5
2 5 度狭開先溶接接合部
溶接ロボット塑性変形能力
冷間成形角形鋼管
3 点曲げ試験
1 ．はじめに
2 5 度狭開 先を 適用 した 冷間 成形 角形 鋼管 ―通 しダイアフラム溶接接合部の保有性能を確認する為に実大繰り返 し曲 げ試 験を 実施 した 。その 1 7 では、試験体 および実験概要について述べる。
2 ．試験体
図 1 に試験体セットアップ図を示す。写真 1 に試験体形状 を示 す。試験 体は 、支持 点間 距離 が 4 m であ り、通しダイ アフラ ムを 中央部 に配置 した ビーム コラム 試験 体であ る 。 表 1 に試 験 体 一覧 を 示 す。実験 パ ラ メー タ は 、初層部の溶接欠陥の有無および溶接止端部のグラインダー仕上げの有無である。供試材は、□ - 3 5 0 × 2 2(BCR2 95)、□ -55 0 × 22(BCP 325)の 2 種の角形鋼管とした。開先角度は 2 5 度であり、ルート間隔は 4 m m としている。但し、溶接欠 陥を人 工的 に挿入 した試 験体 につい てはルート間隔を 8 m m としている。
表 2 に供試材の機械的性質を、表 3 に供試材の化学成分( ミルシート値) を示す。表 2 より、C P - 2 および C P - 3
試験体の溶着金属の v E o が 4 7 J であり低い値である。母材の v E o は、2 0 0 J 以上の値であり、高い値であった。
表 4 に溶接施工条件の測定結果一覧を示す。溶接には、溶接ロボットを使用した。溶接ワイヤは J I S Z 3 3 1 2Y G W 1 8 ( φ 1 . 2 ) を、シールドガスは 1 0 0 ％C O 2 ガス( 流量2 5 L / m i n ) を使用した。入熱量は 1 2 〜 3 0 k J / c m 程度であり、最高パス間温度は 1 9 1 〜 2 1 2 ℃であった。
2 . 2 初層部欠陥
2 5 度狭開先を適用した溶接部の場合、3 5 度開先を適用した 溶接部 に比 べ開先 断面が 小さ い為、ダイア フラム側の初層部に大きな溶接欠陥が誘発する事が危惧される。C P - 2 および C P - 3 試験体には、初層部の溶接欠陥が部材の 変形能 力に 与える 影響に つい て検討 する為 、初層部ダ イ アラ ム 側に 人 工的 に 溶接 欠 陥( 目 標 寸 法 ： 欠陥高さ = 6 m m 、欠陥長さ = 4 8 m m ) を挿入している( 図 1 参照) 。
写 真 2 に溶 接 欠陥 挿 入状 況 を示 す 。溶接 欠 陥の 確 認を目的として、超音波探傷試験および C スキャン超音波探傷試験を実施した。表 5 に C スキャンにより計測した溶No.

開先幅厚比 角度（°）

鋼種

CR-1 350×22 BCR2951625

表2ミルシート値
No.

σyσu22(N/mm ) (N/mm )CR-1384467

表34無し

無し

供 試 材 の機 械 的 性質

vEo
(J)

vEo
(J)

vEo
(J)

282268102HAZ
HAZ
ダイアフラム
鋼管側 ダイアフラム側vEo
vEovEo
(J)
(J)
(J)
247

291

供試 材の化 学成 分( ミル シー ト値) ( ％)

No.
C
CR-1
0.09
CP-1
CP-20.15
CP-3
Ceq：炭素当量

Si
0.17

Mn
0.59

P0.001

S0.001

N
0.003

Ceq
0.20

0.22

1.46

0.009

0.002

0.005

0.41

表4

溶 接 施 工 条件 の 測 定 結果 一 覧
本溶接条件

平板部
溶接電流 アーク電圧 溶接速度
AVcm/min.
5層6パス 285〜312
32〜3530〜45277〜315
32〜3527〜48
8層10パス 279〜315
32〜3421〜35283〜315
32〜3420〜33
溶接ワイヤ
積層

No.
CR-1
CP-1
CP-2CP-3共通

入熱kJ/cm
12〜2014〜2316〜2918〜30角部
溶接電流 アーク電圧 溶接速度
AVcm/min.
270〜296 31〜3222〜45278〜316 32〜3425〜44219〜310 26〜3415〜33218〜308 26〜3415〜33
JIS Z 3312 YGW18(φ1.2)

入熱kJ/cm
12〜2415〜2516〜3017〜30

最高パス間温度℃
191
186
206
212

トーチ

ガスレンズ用
1,2層目：25°レ型開先用：内径：16㎜、3層目以降：レ型開先用：内径：16㎜
1,2層目：25°レ型開先用：内径：16㎜、3層目以降：長尺ノズル：内径：19㎜(CP-1試験体のみ)

シールドガス
ノズル・母材間距離
ワイヤ突き出し長さ
スラグ除去

100％CO2 25L/min.
1.2層目：42mm、3層目以降：37mm(No.2試験体のみ32mm)
25mm
4パス目溶接完了後スラグ除去
ターゲットボール変位計冶具(アングル)
D11(D9)D3(D1)

D12(D10)D4
D7(D2) (D5)M8全ねじボルトD8(D6)

A-A'断面

D11(D12)角形鋼管□-350×22(BCR295)
角形鋼管□-550×32(BCP325)

狭開先ロボット溶接

B-B'断面

外寸59

鋼板

Bʼ

内寸54 (=48+3+3 ) 鋼板挿入

排水揚水ポンプ

PL-45(TMCP325)

32

3

D7(D8)
Aʼ

無し

*1
*1
CP-1
259
136
290
391
525
86
CP-2287
224
47183
CP-3
σy：降伏点(ミルシート値)、σu：引張強さ(ミルシート値)
vEo：0℃シャルピー吸収エネルギー(実験値)3体の平均値
CP-1試験体HAZ(鋼管側)のみ6体の平均値*1：加力試験後に、実大曲げ加力試験体の応力的に問題ないと考えられる中立軸近傍より試験片を採取した。
それ以外は、別途製作した素材試験体より試験片を採取した。

B

D3(D4)
200

排水揚水ポンプ無し

マグネットスタンドバルブ

変位計冶具(アングル材)

D1(D2)

4

平板部 角部 溶着金属

A

D5(D6)

グラインダ

0℃

8D9(D10)

溶接欠陥

8耐冷ホース達也 * 4晴仁 * 7有り
CP-2 550×32 BCP325
178有り(高さ：6mm,長さ：48mm)
有り
CP-38無し(高さ：6mm,長さ：48mm)
B：外径、ｔ：板厚、R.G.：ルート間隔、溶接欠陥長さは、3・t/2＝48㎜を想定した。

注水バルブ

試験 R.G.
温度 (mm)

CP-1

注水バルブ

中野岡本

試験体一覧

表1
B×t(mm)Pバルブ

見波 進 * 3
中込 忠男 * 68

溶接欠陥の大きさは、
日本建築学会：鋼構造建築溶接部の超音波探傷検査規準・同解説2008年度版に示される合否判定の境界値に該当する大きさを設定した。

溶接欠陥挿入位置No.3試験体、No.4試験体
鋼板は、溶込みを考慮して54×8㎜とした。

通しダイアフラムPL-36(SN490C)

バケツ

エタノール＋ドライアイス

1900
2000

エタノール＋ドライアイス()は裏面の変位計( D1δ14000

図1試 験 体 セッ ト ア ッ プ図

δ4( D4D 5 ) 2000
1900
D 8 ) 2000
1900

(1) δ2(4)δ( D 2 D6 ) 2000
1900(2) δ3( D3 D7 ) 2000
1900

(3)

AVE .(δ1 δ, 2δ
, 3δ, 4 ) ( 5)Full Scale three-point bending Test of Cold-Formed Box- Section Columns to Through diaphragm Welding Connection using 25 degree Acute Bevel Angle(Specimen and Outline of the Test)
Technical development of automatic arc welding for advancing structural safety of steel building Part17
MIZUOCHI Ryosuke, HATTORI Kazunori, MINAMI Susumu, NAKANO Tatsuya, YAMADA Tomohisa, NAKAGOMI Tadao, OKAMOTO Haruhito― 61 ―

余盛り高さhp

Rρ

接欠陥寸法の一覧および超音波探傷試験結果を示す。
図 2 に C スキャンの画像結果の一例を示す。C スキャン
角形鋼管の試験片は載荷試験後に実大曲げ試験体より採取をしている。破断箇所からの試験片の採取は困難であった
ため、中立軸( 図 1 の S E 部、W N 部) よりのみ試験片を採溶接欠陥(鋼板)取し てい る 。 表 5 より 、ほぼ 想 定通 り の大 き さの 欠 陥
ダイアフラムを挿 入 出 来 て いる 事 を 確 認 し た。
2 . 3 溶接止端部形状
写真 1 試験体形状
写真 2 溶接欠陥挿入状況
溶接接合部の変形能力は、溶接ビードの止端部形状
表 5 溶 接 欠 陥 寸 法お よ び 超 音 波 探傷 試 験 結 果 一覧
が大きく影響すると考えられる。C P - 2 試験体は、溶接溶接欠陥寸法
超音波 探傷試験結果
試験体5C10×10A70(端部エコー法) 5C5×10A65(端部エコー法) 同時端部位置
備考
止端部の応力集中を緩和する事を目的として、ハンドNo.
欠陥高さ 欠 陥長さ
欠陥高さ 指示長さ 欠陥高さ 指示長 さ 欠陥高さ
4.059
5.259
4.166
5.0
右 SE
グラ イ ン ダ ーを 使 用 し て 溶接 止 端 部 を 研磨 し てい る。
右 WN4.560
5.958
4.766
5.3CP-2 右 WS
グラインダー研 磨
写 真 3 に、載荷 試 験前 に 、角部 溶 接止 端 部の 形 状を 歯
5.460
4.458
5.5
左 SE
5.361
5.660
4.767
6.8
科用印象材によって採取し、粘土により形状復元をし
5.560
5.768
5.264
5.5
左 WN
4.860
10.550
3.654
5.5
右 SE
た溶 接部 の 断面 写 真を 示 す。 写 真 3 は、破壊 試験 に お
5.060
5.574
4.868
5.5
右 WN
CP-3 左 SE
4.859
4.975
4.767
7.0
いて 破 壊起 点 とな っ た 溶接 箇 所を 示 し てい る 。 表 6 に5.2595.064
4.771
5.3
左 WN
9.566
4.774
6.5
左 NE
角部 の 溶 接 止 端 部 寸法 の 一 覧 を 示 す 。
*溶接欠陥寸法はCスキャンの結果である。Cスキャンは、載荷試験後に実大曲げ試験体の中立軸(SE、WN)より採取した。
C P - 1 および C P - 3 試験体は、溶接止端部形状が凸ビー ハッチングは破断箇所を示す。位置：図1参照 同時端部：同 時端部エコー法(5C5×10A65)
試験体№CP-2／右SE
試験体№
CP-2／左WN
ドなのに対し、C P - 2 試験体は凹ビードとなっている。フ
高さ (mm)：
4.0
長さ (mm)：
59
高さ (mm)：
5.5
長さ (mm)：60
ランク角については、C P - 1 試験体は 1 4 7 °、C P - 3 試験
溶着金属
溶着金属体は 1 3 3 °に対し、グラインダー仕上げをした C P - 2 試
験体は 1 7 4 °に大きくなっている。C R - 1 試験体について溶接欠陥は、グラインダー仕上げを施していないが、凹ビードで溶接欠陥あり、フランク角は 1 6 6 °と比較的大きな値であった。
3 . 実験方法
図 2 C スキ ャン の画 像結 果の 一例
実験は、柱にとって厳しい条件となる 4 5 度方向入力を想定した載荷方法をとっている。試験は、1 0 0 0 t o n 試験機を用いて、両端ピン・ローラー支持とし、3 点曲げ加力を実施した。載荷プログラムは、全塑性モーメントc M p に対応する変形量 c δ p を基準に、予備加力として0 . 5 c δ p を 1 回、次に c δ p の 2 、4 、6 、8 倍の変形量を各 2 回与える正負交番繰返し載荷を実施している。また、8 c δ p 時にもおいても試験体が破断しない場合は、
C R - 1 試験体
C P - 1 試験体
押切 り加 力を 実施 して い る。試験 中の 制御 値( 実験 値)
は、式( 1 ) 〜式( 4 ) によりδ 1 〜δ 4 を算出し、式( 5 ) によりδ 1 〜δ 4 の平均値δを用いた。試験は、下向きの１方向加力とし、負側の加力は、正側加力を実施した後に荷重を 0 に戻し、反転用冶具を用いて、試験体の天地を反 転 す る 事 に よ り載 荷 を 実 施 し た 。
試験温度は 0 ℃とし、管理目標値は 0 ± 5 ℃とした。コ
C P - 2 試験体
C P - 3 試験体
ラム内に冷媒( エタノール＋ド ライアイス) を入れて試
写真
3溶
接止端部
形状
験体を冷却した。バケツ内で冷媒を作成し、揚水ポンプ
表 6 溶 接 止 端部 寸 法 の 一覧
でコラム内に冷媒を圧送し、試験中は常に冷媒を循環
曲率半径ρ
止端余盛半径R
ビード幅 h
余盛り高さ hp
フランク角 θ試験体 名degｍｍmmｍｍｍｍ
させた。なお、試験体からの放熱を防止する為に、断熱
CR-11416.011.0166
材を試験体に巻き付けている。試験の開始は、試験体のCP-12620.012.0147
CP-21421.010.0174
温度が試験温度( 0 ℃) に到達した事を確認した後、1 5 分
CP-3820.012.0133
ビード幅h
保持 し た 後 に 加 力 を 開 始 し た。
θθ
4 . まとめ
接線
接線
2 5 度狭開先を適用した冷間成形角形鋼管―通しダイ
アフラム溶接接合部の実大繰返し曲げ試験について、
凸ビード
凹ビード
試験 体 お よ び 実験 概 要 を 述 べ た。

θ：フランク角、R：止端余盛半径、ρ：曲率半径、hp：余盛高さ、h：ビード幅* 1 日鐵住 金建 材( 株)・修士( 工学)* 2 一般財 団法人 ベタ ーリビ ング つくば 建築 試験究 セン ター・博士( 工学)* 3 東京 電機 大学 理 工学 部 准教 授・博士( 工学)* 4 宇都 宮大 学工 学部 助教・博士( 工学)* 5 千葉 工業 大学 工学 部 教授・博士( 工学)* 6 信州 大学 工学 部 教授・工博* 7 社団法人鋼構 造協会・工博― 62 ―*1 Nippon Steel & Sumikin Metal Products Co.,Ltd, Mr.Eng.
*2 Tsukuba Building Test Laboratory of Center for Better Living, Dr.Eng.
*3 Associate Prof., School of Science and Eng.,Tokyo Denki Univ., Dr.Eng.
* 4Assistant Prof., Faculty of Eng., Utsunomiya Univ., Dr.Eng.
* 5Prof., Faculty of Eng.Chiba Institute of Technology, Dr.Eng.
*6 Prof., Faculty of Eng., Shinshu Univ., Dr.Eng.
* 7Japanese Society of Steel Construction, Dr.Eng.