JP2012223818A - 疲労特性に優れた構造物 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 1.0mm以上10.0mm以下の曲率半径Rを有し、且つ、溶接止端部の表面からの厚さ方向の深さとして1.0mm以下の深さDを有する打撃痕202a、202bを溶接止端部に形成する。また、内底板102a及び下部スツール斜板103aを構成するそれぞれの鋼板について、それぞれの鋼板の降伏応力が、溶接止端部302a及び302bでのそれぞれのホットスポット応力の圧縮応力の最大値の(10/9)倍以上となるようにする。
【選択図】 図1
Description
以上のように、従来の技術では、鋼部材の溶接継手を有する構造物の使用中に、ピーニング処理により溶接止端部に導入した圧縮残留応力が低下、喪失する虞があるという問題点があった。
図1は、船舶の船底付近の一部の一例を示す斜視図である。尚、各図では、説明の都合上、構成の一部を簡略化又は省略して示している。
図1において、船底は、船底外板101と内底板102とにより二重船底となっている。このように本実施形態では、構造物として、二重底構造を有する船舶(具体的にはバルクキャリア)を例に挙げて説明する。
図2は、内底板102aと下部スツール斜板103aとの交差部の形状の一例を示す断面図である。図2に示す断面図は、溶接線に垂直な方向の断面図である。
図2において、本実施形態では、内底板102aと下部スツール斜板103aとの溶接継手201の溶接止端部の少なくとも一部に打撃痕202a、202bを形成する。打撃痕202a、202bは、1.0mm以上10.0mm以下の曲率半径Rを有し、且つ、打撃痕202a、202bを有する溶接止端部の表面からの厚さ方向の深さとして1.0mm以下の深さDを有する。
尚、打撃痕202は、溶接止端部を中心として形成するが、溶接金属部及び熱影響部の一部を含むように形成することが好ましく、これを勘案して打撃位置と、打撃痕202の曲率半径を選定することも好ましい。
このような打撃痕202が施された溶接止端部では、溶接止端部の線は消滅する。これにより、疲労き裂の起点となり難くなり、耐疲労特性が向上する。
図3(a)に示すようにして、内底板102aと下部スツール斜板103aとを溶接して溶接継手301を形成する。本実施形態では、内底板102aと下部スツール斜板103aとのなす角度の大きい側、すなわち貨物倉側の溶接止端部302a、302bの溶接止端部に対してピーニング処理を行う。
また、振動端子311の仕事率を0.01kW以上とするのは、仕事率が0.01kW未満であると、打撃処理に要する時間が長くかかり過ぎるからである。一方、仕事率を4kW以下とするのは、これを超える仕事率で打撃処理をしても効果が飽和するため経済性が低下するからである。
以下に、「船舶に作用すると想定される荷重」、「ホットスポット応力」「ホットスポット応力の圧縮応力の最大値」、及び「鋼板の降伏応力」について説明する。
図4において、まず、内底板102aの応力分布401(内底板102aの位置と応力との関係)を得る。次に、溶接継手301の溶接止端部のうち、内底板102a側の溶接止端部302aから、内底板102aの板厚(厚みt)の0.5倍及び1.5倍離れた位置での応力値403、404を相互に結ぶ直線を引く。次に、この直線を、溶接止端部302aの位置まで外挿する。このようにして外挿した位置における応力値405がホットスポット応力となる。このようなホットスポット応力が、船舶に作用すると想定される様々な荷重に対して算出される。尚、ホットスポット応力は、「財団法人日本海事協会、疲労強度評価ガイドライン、2002年8月」や「CSR−B(Common Structural Rules for Bulk Carriers)のSection4」や「International Institue of Welding、Fatigue design of welded joints and components」等に記載されているので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
圧縮応力の最大値=(平均応力)−(10-8超過確率レベルの応力振幅) ・・・(1)
また、10-8超過確率レベルの応力振幅とは、船舶に作用すると想定される「変動荷重(波浪荷重)」が1回作用した際に、溶接止端部302aや302bにおいて10-8[−]の確率で発生(超過)する応力振幅である。例えば、溶接継手301の10-8超過確率レベルの応力振幅がxであるということは、108回の波浪荷重に対してx以上の応力振幅が1回だけ溶接止端部302aに作用するということを意味する。このように、10-8超過確率レベルの応力振幅は、船舶の生涯で作用する荷重のくり返し数を108回であると仮定して、108回に1回だけ発生する最大の応力振幅(すなわち、船舶の生涯で作用する最大の応力振幅)を意味する。この10-8超過確率レベルの応力振幅は、「財団法人日本海事協会、疲労強度評価ガイドライン、2002年8月」等の指針・規格によるものである。
そこで、本実施形態では、内底板102a及び下部スツール斜板103aを構成するそれぞれの鋼板の降伏応力が、内底板102a及び下部スツール斜板103aが適用される船舶に作用すると想定される荷重、すなわち静水中荷重と変動荷重の両方を考慮して算定される溶接止端部302a及び302bでのそれぞれのホットスポット応力の圧縮応力の最大値の(10/9)倍以上となるようにする。これにより、ピーニング処理で溶接継手301aに導入された圧縮残留応力が、船舶の使用中に喪失することを抑制することができる。
また、内底板102a及び下部スツール斜板103aを構成するそれぞれの鋼板の降伏応力が、溶接止端部302a及び302bでのそれぞれのホットスポット応力の圧縮応力の最大値の(5/3)倍未満になると、ピーニング処理で溶接止端部302a及び302bに導入された圧縮残留応力が徐々に低下し始める。
そのため、内底板102a及び下部スツール斜板103aを構成するそれぞれの鋼板の降伏応力が、溶接止端部302a及び302bでのそれぞれのホットスポット応力の圧縮応力の最大値の(5/3)倍以上となるようにすると、ピーニング処理で溶接止端部302a及び302bに導入された圧縮残留応力が持続するため、より効果的である。
また、例えば、溶接止端部302a、302bのうち、溶接止端部302aのみに打撃痕202aを形成する場合、内底板102aの降伏応力を、溶接止端部302aでのホットスポット応力の圧縮応力の最大値の(10/9)倍以上となるようにし、打撃痕を形成しない溶接止端部302bでは、内底板102bの降伏応力を、ホットスポット応力の圧縮応力の最大値の(10/9)倍以上には、なるようにしてもならないようにしてもよい。
尚、内底板102a及び下部スツール斜板103aに使用する鋼板の降伏応力は、高ければ高いほど耐疲労性能は向上するが、通常、溶接構造用厚鋼板の降伏応力は最大でも1000MPa程度である。また、降伏応力が高いほど、鋼板の重量当たりの価格は高くなるため、経済性と耐疲労性能のバランスを鑑みて使用する鋼板の降伏応力を選択するとよい。
次に、本発明の実施例について説明する。
図5は、本実施例の梁型試験体の構成の一例を示す図である。図6は、図5に示す梁型試験体に使用される鋼板の属性を表形式で示す図である。
図5において、部材Aには、図6に示す3種類の鋼板1〜3を使用した。鋼板1〜3のそれぞれについて、板厚が16mm、19mm、21mmのものを使用した。その他の部材B〜K(部材Jについては図6を参照)には、それぞれ板厚が16mmの鋼板1を使用した。尚、図5において、両矢印に対して示されている数字は、寸法(mm)を表す。
溶接材料:フラックス入りワイヤ(JIS Z 3313 YFW-C50DR、ワイヤ径=1.2mm)
溶接方法:半自動ガスシールドアーク溶接
入熱量:約15000J/cm
シールドガス:炭酸ガス(CO2:100%)
<超音波ピーニング条件>
打撃ピンの先端部の曲率半径:3mm
打撃ピンの直径:3mmφ
振動周波数:27kHz
出力:約1000kW
空気圧式のリベッティングハンマー(打撃数=2800B.P.M、ピストン径=14.3mm、ストローク38mm)の振動端子を、先端の曲率半径が6mm又は10mmのピーニングハンマーに付け替えたハンマーピーニング装置を使用した。ハンマーピーニングを行う際のハンマーピーニング装置の空気圧は、約0.4MPa〜0.6MPaである。
溶接止端部501のホットスポット応力の応力範囲:150MPa
応力比:0.1
周波数:2Hz
溶接止端部501のホットスポット応力範囲は、国際船級連合(IACS)の共通構造規則(CSR)に記載の方法に従い、シェル要素による弾性有限要素法の直接解析を実施することで算定した。
図8において、「予荷重によるホットスポット応力」が、「構造物に作用すると想定される荷重に対して算定される溶接継手でのホットスポット応力の圧縮応力の最大値」に対応する。また、溶接止端部から5mmだけ離れた位置にひずみゲージを張り付け、このひずみゲージの出力値が、初期のひずみ範囲から5%低下したときの荷重の繰返し数を、き裂発生繰返し数とした。
また、番号「4」、「5」と、番号「1」とを比較すると、同じ板厚である場合には、降伏応力が390MPa級以上の鋼2、3を部材Aに使用することで、疲労特性を一層向上させることができることが分かる。
また、番号「16」を参照すると、1.0mm以上10.0mm以下の曲率半径Rを有し、且つ、打撃痕202a、202bを有する溶接止端部の表面からの厚さ方向の深さとして1.0mm以下の深さDを有する打撃痕202を形成しないと、鋼3の降伏応力が予荷重によるホットスポット応力の(10/9)倍以上であっても、打撃痕の部分での応力集中が大きくなるため、疲労特性が低下することが分かる。
102 内底板
103 下部スツール斜板
110 内底板と下部スツール斜板との交差部
201 溶接継手
202 打撃痕
301 溶接継手
310 打撃装置
311 振動端子
312 振動装置
401 応力分布
402 溶接止端部
403 溶接止端部から内底板の板厚の0.5倍離れた位置での応力値
404 溶接止端部から内底板の板厚の1.5倍離れた位置での応力値
405 応力値(ホットスポット応力)
Claims (4)
- 鋼部材の溶接継手を有する疲労特性に優れた構造物であって、
前記溶接継手の溶接止端部の少なくとも一部には、1.0mm以上10.0mm以下の曲率半径を有し、且つ、当該溶接止端部を有する鋼部材の表面からの厚み方向の深さとして1.0mm以下の深さを有する打撃痕が形成されており、
前記打撃痕が形成されている溶接止端部を有する鋼部材の降伏応力は、前記構造物に作用すると想定される荷重に対して算定される当該溶接止端部でのホットスポット応力の圧縮応力の最大値の(10/9)倍以上であることを特徴とする疲労特性に優れた構造物。 - 前記溶接継手を構成する前記鋼部材のうち、前記打撃痕が形成されている側の鋼部材は、降伏応力が390Mpa級以上の鋼部材であり、前記打撃痕が形成されていない側の鋼部材は、降伏応力が355Mpa級以下の鋼部材であることを特徴とする請求項1に記載の疲労特性に優れた構造物。
- 前記構造物は、船舶であり、
前記構造物に作用すると想定される荷重に対して算定される前記溶接止端部でのホットスポット応力の圧縮応力の最大値は、下記(1)式より算定されることを特徴とする請求項1又は2に記載の疲労特性に優れた構造物。
圧縮応力の最大値=(平均応力)−(10-8超過確率レベルの応力振幅)・・・(1)
但し、(1)式において、平均応力は、静水中荷重に対して計算される前記溶接止端部の平均応力であり、10-8超過確率レベルの応力振幅は、変動荷重が1回作用した際に前記溶接止端部において10-8[−]の確率で発生する応力振幅である。 - 前記溶接継手は、内底板と、下部スツール斜板、ビルジホッパ斜板、又は縦通隔壁と、の交差部の溶接継手であることを特徴とする請求項3に記載の疲労特性に優れた構造物。
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