JP2006102738A - 鋼構造体の予防保全方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の鋼構造体の予防保全方法は、鋼構造体の溶接継手に起因する構造的不連続部にプライマーを塗布するによって、繰り返し応力によるき裂の発生を予防保全することを特徴とする。前記鋼構造体が橋梁の構造部分であることが好ましい。
【選択図】 図11
Description
本発明者らは、先に、紫外線を透過する強化繊維に紫外線硬化型樹脂を含浸させたプリプレグを鋼構造体の構造的不連続部に貼付し、紫外線照射もしくは太陽光により硬化させることによって、繰り返し応力によるき裂の発生を予防保全することを提案した(特許文献1参照)。
特許文献1では、ガラス繊維に紫外線硬化剤(商品名:パラタール:DSM社製)等を添加したビニルエステル樹脂を含浸させたプリプレグを3層貼付した例が示されている。
その後、本発明者らは、特許文献1で示される、未硬化のプリプレグを貼付するのに、プライマーを用いて、確証実験を続けた。その中で、必ずしもプリプレグ等の繊維強化樹脂体を用いないでも、鋼構造体の予防保全効果が得られることを知見した。
無補強試験片を図1に示し、図2に示すようにGFRPを貼付したものを補強試験片とした。リブの長さを長くしたのは、リブ端部からの亀裂の発生ならびにGFRPの剥離を防止するためである。
鋼板、GFRPおよびプライマーの機械的性質を表1に示す。
図3の縦軸は鋼板の平行部の応力範囲であり、横軸は繰り返し回数である。なお、図中の下に出ている矢印は非破壊、上に出ている矢印はチャック部からの破壊を示している。
「鋼道路橋の疲労試験設計指針」によれば、荷重非伝達型十字溶接継手(非仕上げのすみ肉溶接継手)の疲労等級はE等級であるが、図3より、N0はC等級を満たしており、一方向材を2層貼付したR2はB等級、3層貼付したR3はA等級、およびチョップ材を2層貼付したCH2はB等級を満たしていることがわかる。
各シリーズの疲労試験結果とその回帰線を図4に示す。回帰線を式で表すと、以下の通りである。
N0:Δσ=1690(N)-0.16 (N<299万回)
Δσ=156 (N≧299万回)
R2:Δσ=927(N)-0.09 (N<141万回)
Δσ=257 (N≧141万回)
CH2:Δσ=454(N)-0.05
N0:Δσ≦156MPa
R2:Δσ≦257MPa
R3:Δσ≦218MPa
であれば、疲労き裂の発生を防ぐことが可能であるといえる。
解析には、2次元有限要素法を使用し、弾性解析とした。解析対象は、前述の疲労試験に用いた、荷重非伝達型溶接継手(非仕上げのすみ肉溶接継手)である。図5に解析モデルを示す。
図5に示すように、4本の溶接ビードの母材側止端を左上から時計回りにLU、RU、RL、LLと呼ぶこととする。
有限要素分割の一例を図6に示す。
解析に用いた材料の機械的性質を表2に示す。表中のGFRPの弾性係数は繊維方向の弾性係数であり、一方向材の繊維と直交する方向の弾性係数は、表に示した値の1/10とした。
無補強モデル(ケース1)と、疲労試験におけるR2の補強をモデル化した、厚さ0.6mmのGFRPをプライマー(厚さ0.3mm)を用いて2層貼付した補強モデル(ケース2)について解析を行った。
ケース1とケース2とを比較すると、ケース2では、GFRPを貼付したことにより、高応力域の拡がりが小さくなり、高応力域がケース1より緩和されていることがわかる。
ケース1、ケース2の各溶接止端の応力集中係数の減少率を表3に示す。ここでいう応力集中係数とは、溶接止端のσxの最大値を公称応力σnで除した値である。
ケース2では、応力集中係数がすべての溶接止端でケース1より減少しており、GFRPの効果が確認される。表3より、GFRPを貼付することによる応力集中係数の減少率は最大15%であることがわかる。
図8に、応力集中の影響のない平行部(図中のX−X断面)の板厚方向の応力分布を示す。
図8から、GFRPを貼付することにより、鋼板部分の応力が低減されていることがわかる。鋼板部分の応力は、ケース1では1.00MPa、ケース2で約0.97MPaとなっており、GFRPを貼付することにより応力が約3.0%低減されていることが確認できる。
しかしながら、前述のように、溶接止端での応力集中係数の減少率は15.0%であり、図8の結果からでは、GFRPを貼付することによる応力の低減を必ずしも説明できない。
表4より、プライマーを塗布するだけでも、応力の低減効果があることがわかる(最大で11.1%、最小でも8.5%)。しかし、図8より、プライマーに発生している応力はほぼ0であり、荷重を負担していないといえる。それにも拘わらず応力が低減しているのは、プライマーを溶接部に塗布したことにより、プライマーが溶接部の凹凸を埋め、溶接ビード形状を滑らかにし、溶接部を仕上げることによる効果と類似した効果が発揮されたからではないかと推察される。
α2=α1×(1−G/100)×(1−A/100)
ここで、α2:ケース2のLUの応力集中係数
α1:ケース1のLUの応力集中係数
G:GFRPを貼付することによる応力の減少率%
A:プライマーを塗布することによる応力の減少率%
ここに各数値を代入して計算すると、
2.16=2.46×(1−3.0/100)×(1−8.5/100)
≒2.18
となり、計算から得られた応力集中係数は、疲労試験で用いた試験片(R2)をモデル化したケース2の解析結果と良い一致を示していることが確認できた。
ケース2でのプライマーの厚さは0.3mmであるが、このプライマーの厚さを0.1mm、0.5mm、0.7mm、0.9mmおよび1.0mmと変えて解析した。なお、GFRP、プライマーの弾性係数およびGFRPの厚さはケース2と同じとした。
図9に、LUの応力集中係数比とプライマーの厚さとの関係を示す。なお、プライマーの厚さ(mm)が「0」は、ケース1の場合を示す。
試験片形状を図10に示す。母材に対してガセットは上下対象に溶接されている。試験片の材質はSM400Aである。この試験片の回し溶接部に、図10のようにエポキシアクリレート系の常温硬化型2液性プライマーを塗布して、その効果を確認した。以下、無補強試験片をGn、補強試験片をGpと記す。繰り返し引っ張り・圧縮荷重は試験片の長手方向に負荷した。
鋼板およびプライマーの機械的性質を表5に示す。
GnとGpの回帰線を比較すると、Gpの回帰線がGnの回帰線より上方にシフトしていることが判る。また、500万回を疲労限の一つの目安とすると、GnはΔσ≦70MPa、GpはΔσ≦100MPaであれば、疲労き裂の発生を防止することができることが判る。
図12に応力拡大係数範囲とき裂進展速度の関係を示す。図12には、GnおよびGpの回帰線を示した。図12より、Gpはき裂がプライマーを塗布した範囲を越えて進展した初期段階だけき裂進展速度を遅延しており、き裂の進展が進むとGnとの違いは見られなくなる。
解析は無補強モデル(Gn)と、溶接部にプライマー(厚さ0.3mm)だけを塗布したモデル(Gp)の2ケースについて行った。解析で用いた材料の機械的性質は表5と同じである。
Claims (2)
- 鋼構造体の溶接継手に起因する構造的不連続部にプライマーを塗布することによって、繰り返し応力によるき裂の発生を予防保全することを特徴とする鋼構造体の予防保全方法。
- 前記鋼構造体が橋梁の構造部分である請求項1に記載の鋼構造体の予防保全方法。
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