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日本建築学会大会学術講演梗概集（東北） 2018 年 9 月

冷間成形角形鋼管の溶接・加工品質の向上と施工合理化に関する研究
その 4角部溶接部における溶接金属の強度分布の影響
正会員 ○ 小原 保隆 ＊ 1＊1

冷間成形角形鋼管

ロボット溶接

軟質継手

同

中野達也

強度要求性能有限要素解析

同宗川 陽祐 ＊ 2

本報その 1 で示唆されたように入熱の上限値を緩和し(1)
b ＝ ws u/cs u
ここで，ws u は溶接金属の引張強さ，cs u はコラム角部最外縁の引張強さである．b は 0.78 ～ 1.12 で変化させており，b ＝ 0.78 は ws u がコラム平板部の引張強さに相当た場合に施工合理化が見込まれる．一方で，入熱が増加すする．強度分布は図 2 に示すようにコラム板厚 t に対するると溶接金属の強度や靭性が低下することから，柱材とし下層高さ h の比 h/t を変化させている．h/t は 0.125 ～ 1.00ての性能を十分に発揮できないことが懸念される．特にコで変化させており，h/t ＝ 1.00 は溶接金属全層が同強度

ラム角部は平板部に比べ材料強度が増大している．ただになる．図 3 に解析で用いた材料特性を示す．コラム断し，角部溶接部の初層側はポアソン効果の影響により歪集面には文献 1）で得られた図 2 に示すような材料特性分布中が緩和されるため，部分軟質継手が許容される可能性がを反映している．

ある．

3．解析結果1．序
冷間成形角形鋼管（以下，コラム）と通しダイアフラムの接合部は溶接ロボットによる施工が一般化している．

そこで本報その 4 では，主に初層側の部分軟質継手を

3.1

M － R 関係

対象とし，溶接金属内の強度分布に着目した FEM 解析を

図 5 に全モデルの M － R 関係を示す．M は材端作用モー行い，角部溶接部において溶接金属に要求される強度分布メント，R は柱の部材角である．モデル間で差異はみられについて検討する．

ないため，局所的な応力・歪状態について検討する．

2．解析概要3.2

溶接部の応力・歪性状

図 1 にモデル形状を示す．本解析はコラム 45 度方向の

図 5 に溶接部形状と応力・歪の評価点を示す．最小メッ

3 点曲げ実験を再現している．施工合理化の観点から溶接

シュ寸法は評価点近傍で 0.1 × 0.1 × 0.1mm3 に統一して面積の削減を考慮して，開先角度 25 度，ルートギャップいる．初層側に厳しい条件を与えるため，溶接部は余盛を5mm の溶接部を対象とする．

高くしている 1）．溶接止端部を半径 10mm の円弧にする

表 1 に解析モデルリストを示す．主な解析パラメータ

ことで OC 点の応力・歪集中は緩和される形状としている．

は次式により得られる強度比 b および溶接金属の強度分

図 6 に基準となる No.2 モデルの解析結果を示す．図6(a) は最大主応力 s 1, 相当塑性ひずみ e eq，応力三軸度 τ，

布である．
表1

強度比 bNo.
1234567h/t

上層1.00t

下層1.00

図 6(b) は R ＝ 0.04rad 時の応力・歪コンターである．解材料特性

sy2tsut2(N/mm ) (N/mm )

1.12
1.00
0.92
0.78

0.875
0.50.125

延性き裂発生駆動力 D（4 章参照）と R の関係である．

解析モデルリスト

0.78eu析から文献 1）と同様の傾向を示す結果が得られている．

（％）

657551
488
362

787
717
673
583

7.6
9.5
10.9
13.0362583

13.0

OC 点に関しては図 6(a) から e eq が他の 3 点と比べ非常に大きくなっており，図 6(b) から応力・歪集中が発生していることが分かる．ID 点に関しては図 6(a) から s 1 が他の 3 点に比べ早期に最大値に到達しており，図 6(b) から s 1 および t が ID 点周辺で局所的に集中している．

h/t：コラム板厚に対する下層高さの割合
s u 717 673 613 583‫ڧ‬-550×550×32(BCP325)

2000mm
PL-36(SN490C)
forceddisplacement

図1th

図2

強度分布 (No.6)（b）溶接金属








ʤ࠹߶‫ౕک‬ʥ





ε

β




図3




材料特性c

h s ＝ 8.4 時






Roller

モデル形状（a）コラム母材σ tε

Μ

（N/mm2）Pinσ Rigid LinkMp ＝ 4003

図4


M － R 関係

Study on enhancement of quality and rationalization of manufacturing or fabrication of cold-formed square steel tubes
Part4 Effect of strength distribution of welded metal at corner welding connection

OHARA Yasutaka, NAKANO Tatsuya, SOKAWA Yosuke― 63 ―

OD
余盛高さ15mmσ

図50.3mm

ICID

溶接部形状および評価点（N/mm2）
1250.
1250

OD

ID

1125.
1000.
875.
750.
750
625.
500.
375.
250
250.
125.
0.
（％）
- 125.
15.0-0.1500250.
0.1350- 375.
-0.1200500.
0.10509.0
0.09000.07500.06000.04503.00.0300
0.01500.0000‑0.01501.200
1.2‑0.0300
1.067‑0.04500.933‑0.0600

OC IC
ε

OC

IC

τ

ODID



0.800
0.8OC



OCID OD

IC


ID



IC




No.4 モデル
全層 b ＝ 0.78







β（a）全層強度比
図74.2（b）軟化層高さ

パラメータの影響

下層（初層側）における強度低下の影響

図 7(b) に上層，下層それぞれの b を一定とし，h/t をパラメータとしたモデルの結果を示す．h/t ＝ 0，1 は全0.900
0.800
0.700
0.600
0.500
0.5
0.400
0.300
0.200
0.100
0.000
‑0.100‑0.200‑0.300は増加していくが，延性き裂発生条件には至っていない．

（R ＝ 0.04rad 時）（a） 応力・歪性状（b）応力・歪コンター
図 6 解析結果の一例（No.2 モデル）継手である．D R に関しては，OC・IC 点では変化がみられない．ID・OD 点では h/t が 0.1 ～ 0.9 程度の範囲で

s 1peak に関しては，溶接金属全層の b を変化させた場合に比べ，h/t の変化が初層側の s 1peak に及ぼす影響は少ないことが分かる．
5．結FEM 解析を行い，溶接金属内の強度分布の変化がコラ
ム角部溶接部の応力・歪性状に及ぼす影響について検討を4．考察行い，以下の知見を得た．

延性破壊を表す指標として，コラムの要求性能に対する
req[1] 溶接金属内の強度分布の変化は溶接部の局所的な応＝ 0.04rad に対応する延性き裂発生駆動力 D Rを用いる．延性き裂発生駆動力 D は次式に示す延性き裂力・歪性状に対して影響を与える．
[2] 角部溶接部の溶接金属は，最終層の強度がコラム角部発生条件式 2）により得られる．
D =e eq / te u・t

最外縁の強度と同等であれば，最終層以外の強度がコ(2)2ラム平板部と同等であっても初層側は延性き裂発生条

ここで，te u は真一様伸び，t は応力三軸度である．
脆性破壊を示す指標として，s 1peakを用いる．s 1peak

件には至らない結果が得られた．また大変形時には，はコ初層側に比べ，最終層側の方が応力・歪ともに大きくラムの塑性化付近における s 1 のピーク値である．最終層側は R の増加に伴い s 1 が増大し続けるため，s 1peakをとなる結果が得られた．
謝辞
その 1 にまとめて示している．

る初層側に関して比較を行う．
4.1

ODID
IC

層同強度であり，その他のプロットが初層側の部分軟質

1.100

部材角 R



0.667
0.533
0.4
0.400
0.267
0.133
0.000

1.000
1.0

OC

σ

0.3mm

ICID

No.2 モデル
全層 b ＝ 1.00




OD

OC10mm
OC

溶接金属全層同強度モデルにおける強度比の影響

参考文献

図 7(a) に溶接金属全層の b を変化させたモデルの結果

1) 高木峻一，中野達也，岡本晴仁，見波進，中込忠男：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を示す．最終層側 (OD・OC 点 ) は b の低下に伴う D R の増大が著しいが，初層側 (ID・IC 点 ) の変化は最終層側に

その 5 ～ 10，日本建築学会大会学術講演梗

概集，pp.1063-1074，2011.8，
2) 桑村仁，山本恵市：三軸応力状態における構造用鋼材の延性き裂発生条件，日本建築学会構造系論文集，第 477 号，pp.129-135，1995.11

比べて小さい．b の増加に伴い DR は減少する一方で s 1 は増大していることから靭性に関する検討が必要である．
＊ 1 宇都宮大学＊ 2 一般財団法人ベターリビングつくば建築試験研究センター（元 宇都宮大学大学院生）＊ 1 Utsunomiya Univ.,＊ 2 Tsukuba Building Test Laboratory of Center for Better Living― 64 ―