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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（実験結果および性能評価）
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 8正会員
服部 和徳 *1
見波 進 *2 中野 達也 *3 水落 亮輔 *4
同山田 丈富 * 5 中込 忠男 * 6 岡本 晴仁 * 7
2 5 度狭開先溶接接合部
ロボット溶接塑性変形能力
冷間成形角形鋼管
3 点曲げ試験
3 . 考察（性能評価）
1 ．はじめに
図 3 にスケルトン曲線による累積塑性変形倍率（ E η
その 1 8 では、2 5 度狭開先溶接を適用した通しダイ）の算出方法模式図を示す。スケルトン曲線に よる累s
アフ ラム - 角形 鋼管 溶 接接 合 部の 実大 3 点曲 げ破 壊積塑 性変 形倍 率（ E η s ）は、実験 結果 の履 歴曲 線か ら実験の実験結果および性能評価について述べる。
スケルトン曲線を取り出し、その面積 W s から算出した
2 ．実験結果ものである。
図 1 に荷重 ―変 形関 係お よび スケ ルト ン曲 線を 、 表一 方 、バウ シ ン ガ ー 域 の エ ネ ル ギ ー 吸 収 を 含 む 累 積
1 に実験結果一覧を示す。C R - 1 および C P - 2 試験体は、
塑性変形倍率( E η A ) は、図 4 に示す様に、実験結果か8 c δ p 時においても破断しなかった為、押切り加力をら得 ら れ た 履 歴 曲 線 の 全 て の ル ー プ に つ い て 足 し 合わ実施した。C P - 1 試験体は 8 c δ p 時に、C P - 3 試験体はせた( = Ση i ) ものとしている。本研究では、E η s およ6 c δ p 時に破断をした。
び E η A を性能評価の 指標とする。
2 . 2 破壊性状
溶接止端部

図 2 に破 壊性 状の 模 式図 を示 す。破壊 性状 は、いずれの 試 験 体 も 角 部 よ り 延 性 亀 裂 が 発 生 し 、延性 亀 裂 が進展 し た 後 、脆性 破 断 が 生 じ 耐 力 低 下 を し て い る 。繰返し 加 力 に よ り 角 部 板 厚 鉛 直 方 向 に 亀 裂 が 進 展 し 、その後、母材側斜め約 4 5 度方向へ延 性亀裂が 進展した。
脆性破面は角形鋼管母材を伝播している。また、C P - 2
およ び C P - 3 試験体に は初層 部に溶接 欠陥を 挿入したが、溶接欠陥を起点に破断する事はなかった。写真 1に、破断状況を示す。

-1000
-1500
-2000

50 100 150 200 250 300

-4000
-6000
-8000

Displacement(mm)CP-2Load(kN)

8000
6000
4000
2000
0-200 -150 -100-2000-50 0 50 100 150 200 250 300
-4000
-6000
-8000
Displacement(mm)

図1

8000
6000
4000
2000
0-200 -150 -100-2000
-50 0

③-1

ダイアフラムNo.

図2

幅厚比 ランク

破 断 性 状の 模 式 図CP-1

50 100 150 200 250 300

C R - 1 試験体
Displacement(mm)

CP-3

8000
6000
4000
2000
0-200 -150 -100-2000-50 0 50 100 150 200 250 300
-4000
-6000
-8000
Displacement(mm)荷 重 ー 変 形関 係 お よ び スケ ル ト ン 曲 線
表1鋼種

角形鋼管

③-2

裏当て金

cPp
(kN)

cδp(mm)ePp(kN)+-C P - 4 試験体
写真 1 破 断 状況

実 験 結 果一 覧

試験体諸元
B×t
(mm)

①②Load(kN)

Load(kN)

1500
1000
500
0-200 -150 -100 -500-50 0

Load(kN)

CR-1

2000

溶着金属

①溶接 止端部 近傍よ り、角形鋼 管
板厚鉛直 方向に繰 返し力 により、延性亀裂 が発生・進展する 。
②角形鋼管板厚約 4 5 度方向へ延性亀裂が進 展・成長する 。
③ -1：BCR295：延性亀裂先端より、脆性 破断 。
③ -2：BCP325：延性亀裂先端より、脆性 破断 。

ePmax(kN)
+-α+

実験結果
Eηs+-Eη A+-破壊性状

備考

延性亀裂進展の後、局部座屈
角部脆性破断延性亀裂進展の後、
CP-1 550×32 BCP325 17FA
4,143 -3,815 5,661 -5,494 1.31 1.27 10.4 8.3 38.7 40.8
角部脆性破断延性亀裂進展の後、 初層部溶接欠陥、グラインダー研磨
CP-2 550×32 BCP325 17FA
4,323
10.85 4,435 -4,087 6,356 -6,148 1.47 1.42 25.9 15.6 83.8 63.4
角部脆性破断 局部座屈
延性亀裂進展の後、
CP-3 550×32 BCP325 17FA4,156 -3,826 5,620 -5,563 1.30 1.29 8.9 8.6 27.4 28.4
初層部溶接欠陥
角部脆性破断B：外径、ｔ：板厚、cPp：全塑性荷重(計算値)、cδp時の変形量(計算値)、ePp：全塑性荷重(実験値)General-Yield法により算出、ePmax：最大荷重(実験値)
CR-1 350×22 BCR29516FA1,205

16.58 1,285 -1,189 1,655 -1,631 1.37 1.359.9

8.2 86.3 68.2

α耐力上昇率(=ePmax/cPp)、 Eηs：スケルトン曲線による累積塑性変形倍率、 EηA：バウシンガー域のエネルギー吸収を含む累積塑性変形倍率

Full Scale three-point bending Test of Cold-Formed Box- Section Columns to Through diaphragm Welding Connection using 25 degree Acute Bevel Angle(Test Result and Performance Evaluation)
Technical development of automatic arc welding for advancing structural safety of steel building Part18HATTORI Kazunori, MINAMI Susumu, NAKANO Tatsuya, MIZUOCHI Ryosuke, YAMADA Tomohisa, NAKAGOMI Tadao, OKAMOTO Haruhito― 63 ―

果、B C P 3 2 5 材については，グラインダー仕上げの有
表 2 に文 献 1 に示さ れてい る層 ラーメ ンの必 要累 積
塑性変形倍率 R ηの設定値、柱部材の必要塑性変形倍無によらず同等もしくはそれ以上の性能を有してい率 c ηの算出値を示す。c η s は柱部材の骨格曲線に対することを確認した。B C R 2 9 5 材にいたっては，グラインダー仕上げを施していないにも関わらず( 但し、フる必 要塑 性変 形倍 率、c η A は柱 部材 のバ ウシ ンガ ー域のエ ネ ル ギ ー 吸 収 を 含 む 必 要 塑 性 変 形 倍 率 で あ る 。本ランク角は 1 6 6 °と大きい値であった。) 、3 5 度標準実験で使用したコラム材の幅厚比は、D / t = 1 6 および 1 7開先を適用し角部をグラインダー仕上げした結果以上の非常に優れた変形性能を示した。
である為、c η s = 8 . 4 、c η A = 1 4 . 0 と設定する。
図 5 および図 6 に実験結果の比較を示す。同図より、 3 ）コラム角部の初層部近傍に学会 U T 規準が想定して2 5 度狭開先溶接により接合された冷間成形角形鋼管にいる許容限界の溶接欠陥が存在しても，欠陥を起点に脆性破壊は生じなかった。これは、初層部近傍のおい ても 、 表 2 に示 す要 求性 能を 満た して いる 事が 確
認で き る 。溶接 止 端 部 を グ ラ イ ン ダ ー で 研 磨 し た 試 験応力が比較的低い事に起因していると考えられる。
体 C P - 2 は、研磨していない試験体に比べ、累積塑性変4 ）グラインダー仕上げにより溶接止端部近傍の応力集中を緩 和する( フラン ク角を 大きく する) 事で 、延形倍率( E η s ) は、2 倍以上の性能を示している。また、
グラ イ ン ダ ー 研 磨 を 施 し て い な い が 、フラ ン ク 角 の 大性亀裂発生時期を遅らせる事により高い変形性能をきい C R - 1 試験体( フランク角 1 6 6 °) においては、累積得られる事が分かった。
【参考文献】
塑 性 変 形 倍 率 ( E η A ) は 高 い 値 を 示 す 結 果 で あ っ た 。 1)建設省建築研究所、(社)鋼材倶楽部：角形鋼管設計研究会研究報告書〜鉄骨造柱材としての要求性能と保有性能の面からみた冷間成形コラムの評価〜、1993年11月
従っ て 溶 接 止 端 部 の 形 状 は 、出来 る だ け 滑 ら か な 形 状2)(社)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6月にする事が望ましいと考えられる。
3)監修／(独)建築研究所、編集・企画／(財)日本建築センター：2008年度版 冷間成形角形鋼管設計・施工マニュアル、2008年12月
初 層 部 に 溶 接 欠 陥 を 挿 入 し た 試 験 体 に つ い て は 、溶
4)園田正雄：建築構造用冷間ロール成形角形鋼管(BCR295)の力学性状に関する実験的研究、
着金属の 0 ℃シャルピー吸収 エネルギーが 4 7 J と低い
1997年日本建築学会関東支部研究報告集、pp.101-104,平成9年3月
5)桑村仁,松本由香,武谷政國：熱間成形および冷間成形角形鋼管の脆性破壊、
日本建築学会
値で あ っ た が 、初層 部 溶 接 欠 陥 を 起 点 に 破 断 す る 事 は構造系論文集、第494号、pp.129-136、平成9年4月
PP
無く 、十分 な 塑 性 変 形 能 力 を 有 し て い る 。従っ て 、初層部の溶接欠陥については、「( 社) 日本建築学会：鋼構cPp
Ws
造建築溶接部の超音波探傷検査規準・同解説」2 ) に示さ
WiWi Wiδδcδp
れる 合 否 判 定 基 準 を 遵 守 す る 事 で 、十分 な 保 有 性 能 を
ηs=Ws/(cPp×cδp)ηi=Wi/(cPp×cδp)
確保する事が出来ると考えられる。
EηA=Σηi3 . 2 要求性能と保有性能の比較
図4（η）の算 出方 法
EA
図 7 に 3 5 度標 準 開先 を 適用 し た 場合 の 既往 の 実験 図 3 （ E η s ）の算 出方 法
表 2 柱 部 材 の必 要 塑 性変 形 倍 率デ ー タ 3 ) との 比 較 を 示す 。図中 の 赤 実 線は ，降伏 点 を層ラーメン
柱部材
参考
構造
Ds
設定値
脆性破壊
局部座屈などB/tの
3 2 5 N / m m 2 として算定した等価幅厚比に対応する要求性
ランク
ηηs
ηAηs
ηA
(柱降伏型)
制限値
7.00
8.4
146100.323Ⅰ能を示してい る。赤，青，緑で着色した プロットが 2 5Ⅱ
3.25
3.9
6.5
1.5
2.50.428度狭開先の実験結果であり，その他は 3 5 度標準開先のⅢ
2.00
2.4
4000.5411.001.22000.6
Ⅳ
実験 結 果 で あ る 。黒，灰で 着 色 し た プ ロ ッ ト は 角 部 のRη：層ラーメンの累積塑性変形倍率、cηs：柱部材のスケルトン曲線に対する必要塑性変形倍率cηA：柱部材のバウシンガー域のエネルギー吸収を含む必要塑性変形倍率
溶接 止 端 部 を グ ラ イ ン ダ ー に よ り 滑 ら か に 仕 上 げ てい
30180る。3 5 度標準開先の実験は常温であるのに対し，今回16025の 2 5 度狭開先の試験温度は 0 ℃である。2 5 度狭開先の14020120
実験 結 果 は 柱 部 材 の 要 求 性 能 を 満 た し て い る こ と が明100らかである。B C P 3 2 5 材については，グラインダー仕上
1580
必要塑性変形倍率＝8.4げの有無によらず 3 5 度標準開先の実験結果と同等かそ1060れ以上の性能を有していることがわかる。B C R 2 9 5 材に405必要塑性変形倍率＝28.0
いた っ て は ，グラ イ ン ダ ー 仕 上 げ を 施 し て い な い に も2000
関わらず、3 5 度標準開先を適用し角部をグラインダー
CR-1
CP-1
CP-2CP-3CR-1
CP-1
CP-2CP-3
試験体No.
試験体No.
仕上げした結果以上の非常に優れた変形性能を示した。
図 5 実 験 結果 比 較（ E η s ） 図 6 実 験 結果 比 較（ E η A ）但し、本実験の B C R 2 9 5 材はグラインダー仕上げをして
文献3 BCR295(45)160いないが、フランク角が大きい値であった。
文献3 BCP235(45)*：脆性破壊140
文献3 BCP325(45)4 . まとめ*
文献3 BCP325T(45)120
文献3 SN490B(45)2 5 度狭開先を適用したコラム―通しダイアフラム溶
100
文献4 BCR295(45)
文献1 STKR(0)80接接合部の実大繰り返し曲げ試験結果を以下に纏める。
文献1 従来プレス（0)*(溶接不良)601 ）いずれの試験体も、スケルトン曲線による累積塑性
文献1 従来ボックス(0)*
文献5 熱間材(45)40*
変形倍率 c η s = 8 . 4 、バウシンガー域のエネルギー吸
CR-1：BCR295
20*
CP-1：BCP325
収を含む累積塑性変形倍率ｃ η A = 1 4 . 0 を上回り、大き0CP-2：BCP325Gグラインダ仕上げ
0.00.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
CP-3：BCP325初層欠陥な変形性能を示す事を確認した。
1/α(α＝ε (B/t) ))2 ）3 5 度標準開先 による既 往の実験結 果と比較 した結 図 7 既往の実験データとの比較( 文献 3 より抜粋、一部修正)
Ecccc

累積塑性変形倍率 η

バウシ ンガー域のエネルギー 吸収を含む
累積塑性変形倍率EηA

スケルトン曲線による累積塑性変形倍率 EηsRy*1一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)*2東京電機大学理工学部 准教授・博士(工学)*3宇都宮大学工学部 助教・博士(工学)*4日鐵住金建材(株)・修士(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

2*1TsukubaBuildingTestLaboratoryofCenterforBetterLiving,Dr.Eng.
*2AssociateProf.,SchoolofScienceandEng.,TokyoDenkiUniv.,Dr.Eng.
* 3AssistantProf.,Faculty ofEng.,UtsunomiyaUniv.,Dr.Eng.
*4 NipponSteel&SumikinMetalProductsCo.,Ltd,Mr.Eng.
* 5Prof.,Faculty of Eng.Chiba Instituteof Technology,Dr.Eng.
*6Prof.,FacultyofEng.,ShinshuUniv.,Dr.Eng.
* 7Japanese Society of Steel Construction, Dr.Eng.

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