JP2009024466A

JP2009024466A - 溶接部の補強方法

Info

Publication number: JP2009024466A
Application number: JP2007191672A
Authority: JP
Inventors: Fujio Kondo; 富士夫近藤
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2009-02-05

Abstract

【課題】一時的な強度低下や、加熱を行うことなく、短工期で鋼構造部材の溶接部に生じるクラックの発生を抑制することができる溶接部の補強方法を提供する。
【解決手段】鋼構造部材の溶接部を、少なくとも２方向の繊維配向を有する強化繊維で構成された一方向に延在する補強材を用いて補強する溶接部の補強方法であって、前記溶接部の表面に未硬化の常温硬化型樹脂を塗布し、前記鋼構造部材の溶接ビードの長手方向に沿って、該補強材で前記溶接部を覆い、該補強材に該常温硬化型樹脂を含浸させ、該補強材を硬化させる、溶接部の補強方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、鋼構造部材の溶接部に生じるひび割れの発生を軽減させる補強方法に関する。

鋼材による構造物では鋼材同士を接合する方法として溶接が多用されているが、溶融部が固化したビード部およびその周囲の熱影響部は、溶接に伴う熱影響により残留ひずみが発生するとともにじん性が低下するため、表面からクラックが発生することが多い。一般的には、この補修方法としてクラック発生部の周辺を切断除去し、新しい鋼材を配置し溶接で接合するが、新しい溶接部よりさらにクラックが発生することがある。この対策として熱歪みの少ない溶接部材を用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１）。しかし、溶接時にクラック発生部の周辺を切断除去するため、補修中は一時的に強度が低下し、常に荷重のかかっている鋼構造部材の補修としては向いていない。また、溶接により高熱が発生するため、化学プラントなど危険物を多用する設備の鋼構造部の補強には適していない。

再溶接を行わずに溶接部を補修する方法として添板をボルトで締結する方法がある（例えば、特許文献２）、そのため既存構造物へ穴あけを行うことになり一時的に強度が低下するのは従来技術１と同じであるとともに、穴の周囲から応力集中によりクラックが発生する懸念もある。

別の溶接部を補修する方法として、クラック端部にストップホールとして穴を開けるとともに、クラック部を跨ぐように炭素繊維シートを付着させる方法が提案されている（例えば、非特許文献１）。ここでは引張試験により１方向だけの引張力に対する補修効果の確認を行っており、既にクラックの発生した鋼構造部材の補修としては有用であることは確認されているが、多層に積層する必要がある。また、一般的な炭素繊維シートは、シートの長手方向に炭素繊維が配置されており、実際に補強するためには、幅方向に短冊状に切断し、これをクラック部に付着させることとなり、連続したクラック部については施工手間が大きい。また、クラック部にせん断力が作用する場合は、補強効果が期待できない。

されに、クラックが発生する前に溶接部の補強を行い、クラックの発生を抑制する方法は、溶接後のビード部の凹凸を研磨し、応力集中部を減らすことが行われている程度で、まだ技術が確立されていない。
特許第３０１０２１１号公報（請求項１、図４）特開２００７−１０７１８５号公報（請求項１、図１）福井唯夫、他４名、「炭素繊維シートの鋼板疲労亀裂補修への適用」、鋼構造年次論文報告集、日本鋼構造学会、２０００年１１月、第８巻、ｐ．６８９−６９６

そこで本発明の目的は、一時的な強度低下や、加熱を行うことなく、短工期で鋼構造部材の溶接部に生じるクラックの発生を抑制することができる溶接部の補強方法を提供するにある。

上記課題を解決するための本発明は、以下の構成からなる。すなわち本発明は、
（１）鋼構造部材の溶接部を、少なくとも２方向の繊維配向を有する強化繊維で構成された一方向に延在する補強材を用いて補強する溶接部の補強方法であって、前記溶接部の表面に未硬化の常温硬化型樹脂を塗布し、前記鋼構造部材の溶接ビードの長手方向に沿って、該補強材で前記溶接部を覆い、該補強材に該常温硬化型樹脂を含浸させ、該補強材を硬化させる、溶接部の補強方法。
（２）鋼構造部材の溶接部を、少なくとも２方向の繊維配向を有する強化繊維で構成された一方向に延在する補強材を用いて補強する溶接部の補強方法であって、該強化繊維に常温硬化型樹脂を含浸させた未硬化補強材を、前記鋼構造部材の溶接ビードの長手方向に沿って、該未硬化補強材を前記溶接部の表面に貼り付け、該未硬化補強材を硬化させる、溶接部の補強方法。
（３）前記補強材を構成する前記強化繊維の少なくとも２方向の繊維配向は、該補強材の延在方向に対して、それぞれ３０°〜６０°、−３０°〜−６０°である、（１）または（２）に記載の溶接部の補強方法。
（４）前記補強材が、組紐または多軸織である、（１）〜（３）のいずれかに記載の溶接部の補強方法。
からなる。

本発明の補強方法によれば、溶接部のクラック発生を抑制する補強において、一時的な強度低下や、加熱を行うことなく、短工期で作業を完了し、設計どおりの補強効果を得ることができる。

本発明の補強方法は、例えば、鋼製道路橋（床材、桁材、柱材）をはじめ、各種の鋼製建築物（鉄骨建築物）、鋼製土木構造物、機械構造物の溶接部の補強工事で利用することができる。また、本発明の補強方法は、土木構造物、建築構造物、機械構造物の補強に限定されず、その他の鋼材溶接部の補強にも適用可能である。以下に、本発明の補強方法の利点を列挙する。

（１）本発明の補強方法は、溶接部の表面に樹脂を含浸した強化繊維を付着させる工法であるため、既存構造物を一時的に強度低下させたり、加熱を行うことなく補強を行うことができる。

（２）本発明の補強方法は、少なくとも２方向の繊維配向を有するため、異なるモード、例えばクラック部にせん断力が作用する場合においても、補強効果を期待することができる。

（３）本発明の補強方法を、クラックが発生する前の溶接部に行うことにより、微小なクラックの起点部を補強することができ、少ない補強量でも効果的に補強することが出来る。また、少なくとも２方向の繊維配向を有するため、如何なる方向の初期クラックに対しても補強効果を有する。

以下、本発明に係る溶接部の補強方法の実施形態を、図面に基づいて説明する。図１は、鋼構造部材の標準的なＴ継手溶接部断面を示す概略図である。図２は、図１で溶接ビード部にクラックが生じたＴ継手溶接部断面を示す概略図である。図３は、本発明の補強方法を用いた鋼構造部材の溶接部の補強断面図である。図４は、本発明の補強方法で用いられる組紐状補強材を示す概略図である。
図１に示すようなＴ形状の鋼構造部材を構成するためには、鋼製平板の縁端と鋼製平板の平面とがＴ字型となるように突合せ、これを溶接にて接合させる。その際、該突合せ部において、一方向で延在する溶接ビードと呼ばれる肉厚状の溶融塊が生じ、該溶接ビードで鋼製平板同士を継ぐ。ここで、鋼構造部材の溶接ビードの長手方向とは、溶接ビードが一方向に向かって延在する方向をいう。
しかしながら、例えば鋼製の橋梁桁や橋梁床版の場合、車等の通過で生じる振動によって該溶接ビードにクラックが生じ、最終的に該溶接部で破壊することがある。すなわち、Ｔ継手溶接部を例にすると、図２に示すように該クラックが、鋼構造部材の長手方向に発達し、最終的には溶接で継いであった鋼材平板同士が、該クラック部で破壊する現象となる。
このような現象を予防するために、本発明の補強方法を用いた鋼構造部材の溶接部の補強方法が行われる。
先ず、鋼構造部材の溶接部に対して、ディスクサンダー等でケレン作業を行い、該溶接部表面に付着した塗装膜、錆、汚れ等を除去し、鋼構造部材の金属表面を露出させる。ここで、本発明に記載する溶接部とは、前記溶接ビードのほかに、溶接で生じた該溶接ビード周囲の熱影響部を含んでいることが好ましい。
次に、該溶接部に対して、刷毛等で未硬化の常温硬化型樹脂を塗布し、その上から、少なくとも２方向の繊維配向を有する強化繊維で構成された一方向に延在する補強材を用いて、該溶接部の表面を該補強材で覆う。そして、該強化繊維に該常温硬化型樹脂をゴムへら等で含浸させる。最後に含浸させた常温硬化型樹脂を硬化させる方法により溶接部が補強される。
もしくは、上記方法に変えて、少なくとも２方向の繊維配向を有する強化繊維で構成された一方向に延在する補強材に予め常温硬化型樹脂を含浸させた、未硬化状態の補強材体を前記鋼構造部材の溶接ビードの長手方向に沿って、該未硬化補強材を前記溶接部の表面に貼り付け、該未硬化補強材を硬化させる方法により溶接部が補強される。
いずれの場合でも、補強材のほぼ中央にビード部が配置されるように補強するのが好ましい。ほぼ中央部とは、縦に見た補強材を幅方向に右、中央、左を３分割したときの中央部にビード部が配置されるようにすればよい。
該強化繊維として炭素繊維を使用する場合は、通電性を有するため鋼材と接触することにより電気腐食が発生する可能性があるので、好ましくは、先にガラス繊維シートを貼るか、常温硬化型樹脂を１回塗布し、硬化させた後に上記作業を行う。これにより炭素繊維と鋼材との絶縁が確保され、電気腐食を回避することができる。
ここで、該強化繊維の少なくとも２方向の繊維配向が、該補強材の延在方向に対して所定の角度を有するように配置することとし、その角度は、該補強材の延在方向に対してそれぞれ３０°〜６０°、−３０°〜−６０°の範囲内とすることが好ましい。これにより、当該少なくとも２方向の繊維配向のなす角度が６０〜１２０°の範囲となるため、強化繊維の異方性特性を軽減し、任意の方向のクラックに対し補強効果を発現することができる。
少なくとも２方向の繊維配向を有する強化繊維は、補強材の連続供給が容易な組紐または多軸織が好ましいが、幅の調整が容易、テープ状補強材端部のほつれが無い組紐とするのがより好ましい。ここで、連続供給とは少なくとも３ｍ以上の長さを供給できることである。これ以上短いと施工本数が増加し、施工効率が低下する。逆に１０ｍ以上になると、１本毎の取り扱いが煩雑になり、やはり施工効率が低下する。現場で使用する長さとしては３〜１０ｍが好ましい。
該強化繊維は、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、ポリパラフェニレンベンズオキサゾール（ＰＢＯ）繊維および１００万以上の分子量からなるポリエチレン繊維からなる群から選ばれる少なくとも一種の連続繊維からなるものであることが好ましいが、高剛性の炭素繊維とするのがより好ましい。該常温硬化型樹脂は、少なくとも５〜４０℃の温度範囲で硬化反応が進行する樹脂不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂およびメタクリル（ＭＭＡ）樹脂からなる群から選ばれる少なくとも一種のマトリックス樹脂とすることが好ましいが、耐久性、使用性が高いエポキシ樹脂とするのがより好ましい。

以下、本発明に係る溶接部の補強方法のより具体的な構成を、実施例に基づいて説明する。
（実施例１）
補強材として、図４に示すように、引張弾性率２３０ＧＰａの炭素繊維糸条（トレカＴ７００Ｓ−６Ｋ、東レ（株）製）を９６本打ち込みの組紐に加工した。このとき組紐の延在方向に対する炭素繊維の糸角度は４５°で、組紐の幅は４０ｍｍであった。
図１に示すように、厚さ９ｍｍの２枚のＳＳ４００鋼板をＴ型に突合せ、突合せ部の片側のみをアーク溶接し、鋼構造部材を得た。溶接に伴い形成されるビード部はスラグを除去した後、溶接のビード部を中心に幅５ｃｍ程度を、ディスクサンダーを用いて、表面を平滑に研磨した。研磨した部分に常温硬化型樹脂（東邦アーステック社製のエポキシ樹脂ＣＦ５Ｐ）を刷毛用いて５ｃｍ幅に塗布し、ここに組紐状の補強材をのせ、ゴムベラでたたくようにして該常温硬化型樹脂を含浸させた。このとき樹脂の塗布量はビードの長さ１ｍあたり６０ｇであった。
さらにその上から常温硬化型樹脂（東邦アーステック社製ＣＦ５Ｐ）を刷毛用いて５ｃｍ幅に塗布した、このとき樹脂の塗布量はビードの長さ１ｍあたり２０ｇであった。これを室温で養生硬化させることにより補強をおこなった。

鋼構造部材の標準的なＴ継手溶接部断面を示す概略図である。図１で溶接ビード部にクラックが生じたＴ継手溶接部断面を示す概略図である。本発明の補強方法を用いた鋼構造部材の溶接部の補強断面図である。本発明の補強方法で用いられる組紐状補強材を示す概略図である。

符号の説明

１：鋼板
２：ビード部
３：ビード部の長手方向
４：クラック
５：補強材
６：補強材の延在方向
７：常温硬化型樹脂

Claims

鋼構造部材の溶接部を、少なくとも２方向の繊維配向を有する強化繊維で構成された一方向に延在する補強材を用いて補強する溶接部の補強方法であって、前記溶接部の表面に未硬化の常温硬化型樹脂を塗布し、前記鋼構造部材の溶接ビードの長手方向に沿って、該補強材で前記溶接部を覆い、該補強材に該常温硬化型樹脂を含浸させ、該補強材を硬化させる、溶接部の補強方法。
鋼構造部材の溶接部を、少なくとも２方向の繊維配向を有する強化繊維で構成された一方向に延在する補強材を用いて補強する溶接部の補強方法であって、該強化繊維に常温硬化型樹脂を含浸させた未硬化補強材を、前記鋼構造部材の溶接ビードの長手方向に沿って、該未硬化補強材を前記溶接部の表面に貼り付け、該未硬化補強材を硬化させる、溶接部の補強方法。
前記補強材を構成する前記強化繊維の少なくとも２方向の繊維配向は、該補強材の延在方向に対して、それぞれ３０°〜６０°、−３０°〜−６０°である、請求項１または２に記載の溶接部の補強方法。
前記補強材が、組紐または多軸織である、請求項１〜３のいずれかに記載の溶接部の補強方法。