JP2018016456A - 鋼部材の補修構造および補修方法 - Google Patents

Abstract

【課題】亀裂が発生した既設の鋼部材に対して、孔開けや溶接を行わず、母材の板厚の変化にも容易に対応できる簡易な補修構造および補修方法を提供する。【解決手段】鋼部材（クレーンガーダー１）の亀裂Ｃが生じた部位の、亀裂Ｃを挟んで鋼部材１の長手方向両側に、それぞれ補強材３１が互いに隙間をあけて当接され、凹部３３ａを有する本体部３３と、凹部３３ａに挟んだ部材を２個所以上で締め付ける２つ以上の締め付けボルト３４とを備えた挟締金具３２によって、亀裂Ｃが生じた部位と補強材３１とが、凹部３３ａに挟まれて締め付けボルト３４で締め付けられ、長手方向両側の補強材３１同士が、連結部材４１を介して連結されている。【選択図】図３

Description

本発明は、亀裂が生じた鋼部材の補修構造および補修方法に関するものであり、繰り返し載荷を受けて亀裂が発生した鋼部材に対して、溶接や孔開けを必要とせず応急処置に適した補修に関する。

工場や倉庫などには、重量物を運搬するために天井クレーンが設置されている。天井クレーンは、クレーンガーダーと呼ばれる鋼製梁の上面に敷設された軌条上を走行する。クレーンガーダーは、天井クレーンの移動に伴って繰り返し載荷を受けるため、長期間使用すると疲労亀裂が生じることがある。クレーンガーダーに疲労亀裂が発生するとクレーン走行ができなくなり、工場等の操業が中断するため、早急に補修を行う必要がある。

従来、亀裂が生じた鋼部材に孔を開け、ボルトを用いて補強材と鋼部材とを緊結して一体化する補修方法が一般的である。ところが、亀裂が入って応力が低下している母材にさらに孔を開けるため、構造上のリスクがあるうえ、孔開けを行うことにより補修に要する時間が長くなる。

また、亀裂が生じた鋼部材に補強材を溶接して、鋼部材と補強材とを一体化する補修方法もあるが、現場での溶接作業となるため、安定した溶接品質の確保が困難であり、さらに溶接熱による母材へのダメージも懸念される。また、クレーンを使用する現場では、火気を嫌う電気配線や溶剤等が周辺に配置されていることが多く、このような場合には、これらの配線や溶剤等の火気養生もしくは移設が必須となり、作業性の問題がある。

さらに、高剛性、高強度の炭素繊維シートを、亀裂が生じた鋼部材と接着剤で一体化する方法もあるが、炭素繊維シートと鋼材との熱膨張率の差により、熱を受けた際に両者間に歪みが発生して剥離しやすいという問題がある。また、接着剤の耐熱温度は通常７０℃以下程度であり、高温環境下では使用不可であるという問題がある。

そこで、例えば特許文献１および特許文献２には、複数枚の補強プレートで亀裂が生じた母材を挟み込むとともに、固定用のボルト貫通部にスペーサを挟むことで、母材への孔開けや溶接を回避して既設の構造物を補強する方法が開示されている。ところが、母材が腐食して減肉している場合等にはスペーサの厚さの調整が困難であり、母材に適切にボルト摩擦力を伝えることができなくなる場合がある。

特開２００８−２２６８号公報 特開２００７−７７６４３号公報

本発明の目的は、亀裂が発生した既設の鋼部材に対して、孔開けや溶接を行わず、母材の板厚の変化にも容易に対応でき、さらに亀裂によって生じた残留変形の回復を行うことができる簡易な補修構造および補修方法を提供することにある。

上記問題を解決するため、本発明は、亀裂が生じた鋼部材の補修構造であって、前記鋼部材の亀裂が生じた部位の、前記亀裂を挟んで前記鋼部材の長手方向両側に、それぞれ補強材が互いに隙間をあけて当接され、凹部を有する本体部と、前記凹部に挟んだ部材を２個所以上で締め付ける２つ以上の締め付けボルトとを備えた挟締金具によって、前記亀裂が生じた部位と前記補強材とが、前記凹部に挟まれて前記締め付けボルトで締め付けられ、前記長手方向両側の補強材同士が、連結部材を介して連結されていることを特徴とする、鋼部材の補修構造を提供する。

前記鋼部材の補修構造において、前記連結部材は、張力導入機構を備えていることが好ましい。

また、前記連結部材の必要断面積Ａ_ｐｎ（ｍｍ^２）が、
Ａ_ｐｎ＝Ａｓ×σｓ／σｐｓ
で求められてもよい。
ただし、
Ａｓ：補強材の断面積（ｍｍ^２）
σｓ：補強材の強度（Ｎ／ｍｍ^２）
σｐｓ：連結部材の強度（Ｎ／ｍｍ^２）

また、前記連結部材が、高強度鋼の棒鋼でもよい。あるいは、前記連結部材が、ＰＣ鋼線でもよい。また、前記鋼部材が、クレーンガーダーであってもよい。

また、本発明は、亀裂が生じた鋼部材の補修方法であって、前記鋼部材の亀裂が生じた部位の、前記亀裂を挟んで前記鋼部材の長手方向両側に、それぞれ補強材を、互いに隙間をあけて当接し、凹部を有する本体部と、前記凹部に挟んだ部材を２個所以上で締め付ける２つ以上の締め付けボルトとを備えた挟締金具によって、前記亀裂が生じた部位と前記補強材とを、前記凹部で挟んで前記締め付けボルトで締め、前記長手方向両側の補強材同士を、連結部材を介して連結することを特徴とする、鋼部材の補修方法を提供する。

前記鋼部材の補修方法において、前記連結部材に張力を導入し、前記亀裂によって生じた変形を回復させてもよい。

本発明によれば、亀裂が生じた鋼部材に孔開け等のダメージを与えることなく、簡易に補修することができる。また、溶接を行わないので、火気を嫌う電気配線や溶剤等が周辺に配置されていても、火気養生等を行うことなく、現場で、短時間で補修できる。さらに、亀裂によって生じた残留変形の回復を行うことができる。

本発明の実施形態にかかるクレーンガーダーの構造の概要を示す部分斜視図である。 クレーンガーダーにおいて亀裂が生じやすい位置を示す部分斜視図である。 本発明の実施形態にかかる補修構造の一例を示す側面図である。 図３のＡ−Ａ線から見た縦断面の拡大図である。 図３のＢ部の拡大図である。 本発明の実施形態にかかる補修構造の設計例を示す断面図であり、（ａ）は鋼部材の形状および寸法を示し、（ｂ）は補強材の配置および寸法を示す。 本発明の実施形態にかかる補修構造の設計例を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本実施形態にかかるクレーンガーダーの構造の概要を示す。クレーンガーダー１は、主ガーダー１１、下面構１２、上面構１３及びバックガーダー１４を有する。主ガーダー１１は、Ｈ形鋼、または平板状のプレートを溶接によりＨ形の断面に組んだ鋼材で構成され、下フランジ２１、ウェブ２２、上フランジ２３を有する。以下、本実施形態では、疲労亀裂が生じる鋼部材の例として、クレーン走行を支持するクレーンガーダーについて説明するが、本発明はクレーンガーダーの補修に限定されるものではない。

クレーンガーダー１は、クレーンの使用に伴って繰り返し載荷を受け、長期間クレーンを使用することにより疲労亀裂が生じることがある。特に、主ガーダー１１の下フランジ２１と、主ガーダー１１と下面構１２とを連結するガセットプレート２４との溶接部は、疲労亀裂が発生しやすい部位である。すなわち、図２に示すように、下フランジ２１には、ガセットプレート２４との接点２５を起点として亀裂Ｃが生じやすく、下フランジ２１の幅方向を横断してウェブ２２に向かって亀裂Ｃが延びていく。

以下、このような亀裂Ｃが生じた鋼部材（本実施形態ではクレーンガーダー１）の補修構造について説明する。

図３〜図５は、下フランジ２１に亀裂Ｃが生じた場合の、本実施形態にかかる補修構造１０の一例を示す。図３は補修構造１０全体を側面から見た図、図４は補修構造１０の縦断面の拡大図、図５は図３の部分拡大図である。

下フランジ２１に亀裂Ｃが発生した場合、図３に示すように、下フランジ２１の下面の、長手方向（図のＹ方向）において亀裂Ｃを挟んだ両側に、それぞれ平板状の補強材３１を当接させる。補強材３１は、亀裂Ｃの位置において互いに隙間をあけて配置される。この隙間は、亀裂Ｃにより変形した下フランジの残留変形を戻した際に、両側の補強材３１同士が重ならないように設けられる。また、図４に示すように、補強材３１は、断面において下フランジ２１の下面の左右（図のＸ方向）両側にそれぞれ配置される。そして、ウェブ２２を挟んで左右両側からそれぞれ、下フランジ２１と補強材３１とを挟締金具３２で挟み込んで一体化させる。なお、補強材３１を断面において左右に分割することで、下フランジ２１の幅寸法や歪み等に対する汎用性が向上する。

挟締金具３２は、図４において略コ字状の凹部３３ａを有する本体部３３と、図４において紙面に対して垂直方向に並列する２つ以上の締め付けボルト３４とを有し、凹部３３ａに複数の板状部材を差し込んだ後締め付けボルト３４を締めることによって、当該複数の板状部材が長手方向に２個所以上で締め付けられて固定されるものである。２つ以上の締め付けボルト３４を有することにより、挟締金具３２が傾いたり回転したりすることなく、安定して部材を固定することができる。挟締金具３２の一例として、例えば「ピタグリップ」（登録商標）等を用いることができる。

このような挟締金具３２で下フランジ２１とその下面に配置した補強材３１とを締め付けることにより、下フランジ２１と補強材３１との間に摩擦力が生じ、下フランジ２１に作用する荷重が補強材３１に伝達されて、補強材３１で荷重を負担することができる。また、亀裂が生じた鋼部材が腐食して減肉している場合でも、厚さの変化に対応し、締め付けボルトによる摩擦力を適切に伝達できる。補強材３１は、一般的な鋼板でも構わないが、例えば表面に凹凸処理を施した高摩擦鋼板やアルミ等の金属溶射処理を施した鋼板等のように、表面の摩擦力を向上させた鋼板を用いることにより、荷重の伝達におけるロスが低減される。

さらに、図３に示すように、亀裂Ｃを挟んで長手方向両側に配置された補強材３１同士は、連結部材４１で連結されている。本実施形態では、連結部材４１は棒鋼であり、連結部材４１に張力を導入する機構として、ターンバックル４２が用いられている。

本実施形態では、連結部材４１は、以下のように取り付けられている。図３および図５に示すように、下フランジ２１の長手方向両側に配置された補強材３１に、それぞれピン受けプレート４３が取り付けられている。一方、連結部材４１は、長手方向（Ｙ方向）に２つに分割され、それぞれ、一端がクレビス４５に固定され、他端がターンバックル４２に取り付けられている。そして、ピン受けプレート４３にピン４４を介してクレビス４５が取り付けられる。つまり、亀裂Ｃを挟んだ両側の補強材３１、３１間は、ターンバックル４２を備えた連結部材４１で連結されており、ターンバックル４２によって、連結部材４１に張力の導入および調整が行えるようになっている。

次に、本発明の実施形態にかかる補修構造の設計例について、図４を参照して説明する。

下フランジ２１が負担できる荷重Ｆ（Ｎ）は、
Ｆ＝Ａ_ｂｆ×σｆ’
ただし、
Ａ_ｂｆ：下フランジ２１の断面積（ｍｍ^２）
σｆ’：下フランジ２１の強度（Ｎ／ｍｍ^２）

したがって、図４に示す補強材３１、３１の断面積を合計した必要断面積Ａ（ｍｍ^２）は、
Ａ＝Ａ_ｂｆ×σｆ’／σｓ’
ただし、
σｓ’：補強材３１の強度（Ｎ／ｍｍ^２）

また、挟締金具３２の必要個数ｎは、
ｎ＝［Ｆ／τ］＋１
ただし、
τ：挟締金具１個当たりのせん断許容耐力（Ｎ／個）
［Ｆ／τ］は、Ｆ／τの整数部分を表す。

なお、挟締金具３２は、下フランジ２１の断面の左右両側に同数ずつ、合わせて必要個数ｎ以上取り付ける。すなわち、ｎが奇数の場合には、左右両側に（（ｎ＋１）／２）個ずつ設ける。この必要個数ｎは、亀裂Ｃに対して長手方向片側に取り付ける数であり、亀裂Ｃを挟んで長手方向両側にそれぞれ、必要個数ｎ以上の挟締金具３２を取り付ける。

また、補強材３１を連結する連結部材４１の断面積を合計した必要断面積Ａ_ｐｎは、
Ａ_ｐｎ＝Ａｓ×σｓ／σｐｓ
ただし、
Ａｓ：補強材３１の合計断面積（ｍｍ^２）
σｓ：補強材３１の強度（Ｎ／ｍｍ^２）
σｐｓ：連結部材４１の強度（Ｎ／ｍｍ^２）

補強材３１同士を連結して張力を導入する際、図４の左右の連結部材４１、４１の片側（１本）当たりに作用する最大引張応力は（Ａ×σｓ’／２）であり、連結部材４１の両端に設けられるピン受けプレート４３の片側（１枚）当たりに作用する最大引張応力は（Ａ×σｓ’／（２×２））である。したがって、ピン受けプレート４３の必要断面積Ａ_ｐｌは、
Ａ_ｐｌ＝（Ａ×σｓ’／（２×２））／τ_ｐｌ’
ただし、
τ_ｐｌ’：ピン受けプレート４３のせん断強度（Ｎ／ｍｍ^２）

以上の計算により、先ず、必要な補強材３１の断面積合計および挟締金具３２の個数が算出される。その結果、補強材３１の断面積を確保し、且つ、締め付けボルト３４を備えた挟締金具３２を必要数だけ配置可能となるように、クレーンガーダー１の長手方向の補強材３１の断面積および長さが決定される。挟締金具３２は、補強材３１の長手方向の適宜位置に取り付ければよいが、荷重のスムーズな伝達のために、できるだけピン受けプレート４３に近い位置に配置するようにする。さらに、上記の計算により、補強材３１への応力伝達のために必要な連結部材４１の断面積およびピン受けプレート４３の断面積が算出されるので、既製品の部材からこれらの条件を満たすものを選択して、補強材３１に取り付ければよい。

具体的な設計例として、図６（ａ）に示す寸法（数値はｍｍ）の鋼部材を補修する場合の設計方法を説明する。

図６（ａ）に示すＨ型の鋼部材の下フランジの断面積Ａ_ｂｆは、
Ａ_ｂｆ＝２８０ｍｍ×１９ｍｍ＝５，３２０ｍｍ^２
である。

下フランジおよび補強材の鋼材の種類をいずれもＳＳ４００とすると、σｆ’／σｓ’＝１であり、補強材の必要断面積Ａは、
Ａ＝Ａ_ｂｆ＝５，３２０ｍｍ^２
である。図６（ｂ）に示すように補強材の幅寸法を１１５ｍｍとすると、厚さを２４ｍｍにすれば、補強材の合計断面積Ａｓは、
Ａｓ＝１１５ｍｍ×２４ｍｍ×２＝５，５２０ｍｍ^２
となり、必要断面積Ａ（＝５，３２０ｍｍ^２）以上を満たす。

また、下フランジの強度（長期許容応力度）σｆ’は、２３５（Ｎ／ｍｍ^２）／１．５＝１５７（Ｎ／ｍｍ^２）であり、挟締金具１個あたりの短期せん断許容耐力を９９０００Ｎとすると、長期せん断許容耐力τは、９９０００Ｎ／１．５＝６６０００Ｎである。したがって、挟締金具の必要個数ｎは、
ｎ＝［Ｆ／τ］＋１＝［５，３２０（ｍｍ^２）×１５７（Ｎ／ｍｍ^２）／６６０００Ｎ］＋１＝１３
となる。挟締金具は、ウェブを挟んで断面の左右両側に取り付けられるため、片側７個ずつとし、さらに、亀裂Ｃを挟んで長手方向両側に同数の挟締金具を取り付ける。すなわち、合計で２８個の挟締金具を用いる。

次に、連結部材の設計を行う。連結部材として、高強度鋼（ＨＴ７４０）の棒鋼を用いた場合、必要断面積Ａ_ｐｎは、
Ａ_ｐｎ＝５，５２０（ｍｍ^２）×２３５（Ｎ／ｍｍ^２）／５４０（Ｎ／ｍｍ^２）＝２４０２ｍｍ^２
である。φ４０の棒鋼を左右両側に用いるとすれば、連結部材の合計断面積は、
π×２０ｍｍ×２０ｍｍ×２＝２５１３ｍｍ^２
となり、必要断面積Ａ_ｐｎ以上を満たす。連結部材の断面積が大きくなりすぎないためには、高張力鋼を用いることが好ましい。

ピン受けプレートの必要断面積Ａ_ｐｌは、
Ａ_ｐｌ＝（５，３２０（ｍｍ^２）×１５７（Ｎ／ｍｍ^２）／４）／（２３５（Ｎ／ｍｍ^２）／１．５√３）＝２３０９ｍｍ^２
である。例えば２４ｍｍ×２５０ｍｍの既製品のプレートを用いることで、十分に必要強度を満たす。

図７は、下フランジ２１のウェブを挟んで両側に、且つ、亀裂Ｃを挟んで長手方向両側に、それぞれ７つずつの挟締金具３２を配置した例を示したものである。挟締金具３２は、まず亀裂Ｃに近い位置に取り付けられ、残りはガセットプレート２４などの位置を避けて取り付けられる。補強材３１の長手方向の長さは、挟締金具３２が配置される範囲にわたるように決定される。

クレーンガーダー１の下フランジ２１に亀裂が生じた際には、先ず、下フランジ２１下面の亀裂を挟んで長手方向の両側、且つウェブを挟んで両側に、必要断面積を満たす補強材３１を当接し、挟締金具３２の凹部３３ａに補強材３１および下フランジ２１を挟み込んで、締め付けボルト３４を締める。なお、補強材３１には、適宜位置にピン受けプレート４３を取り付けておく。また、連結部材４１の一端をクレビス４５に固定し、他端をターンバックル４２に取り付けて、ピン受けプレート４３にピン４４を介してクレビス４５を取り付ける。その後、ターンバックル４２を調整することにより、連結部材４１に所望する張力を導入し、亀裂Ｃによる下フランジ２１の残留変形を元に戻す。

以上のように、本発明によれば、亀裂が生じたクレーンガーダー等の鋼部材に孔を開けたり溶接を行ったりすることなく、簡易な工程で補修することができる。したがって、電気配線や溶剤等が周辺に配置されている現場でも、火気養生や移設等を行う必要がなく、現場で容易に補修できる。また、鋼部材の亀裂Ｃを挟んで長手方向に分割して補強材３１を配置し、両側の補強材３１、３１を連結部材４１で連結する事によって、亀裂Ｃによる下フランジ２１の残留変形を回復させることができる。さらに、上記実施形態のように、連結部材４１に張力導入機構を備えて亀裂Ｃを閉じる方向へ張力を与えることにより、より効果的に残留変形を回復させることができる。これにより、クレーンガーダーの補修に用いた場合にはクレーンの走行性が向上する。

また、本発明では、補強材３１を、亀裂Ｃの位置を挟んで長手方向に２分割して配置するため、個々の補強材３１のサイズを小さくできる。したがって、運搬や取り付けの際に大がかりな重機等を必要とせず施工性がよい。

また、本発明によれば、亀裂Ｃの位置には補強材３１を当接しないので、長手方向両側の補強材３１同士の隙間を適切に設けることにより、補修を行った後、亀裂Ｃを外側から目視観察することができる。したがって、亀裂Ｃの進行状況を観察し、クレーンガーダー１の架け替えや抜本的な補強を行うタイミングを判断することができる。

以上のように、本発明は、繰り返し荷重を受けて疲労亀裂が生じた鋼部材（クレーンガーダー１）に対して、簡易な工程で応急処置としての補修を迅速に行えるものであり、この補修により、クレーン走行の停止やそれに伴う工場等の操業中断を防ぐことができる。本発明にかかる補修後、さらに亀裂が進行し、例えば亀裂Ｃが下フランジ２１からウェブ２２に達した場合等には、従来行われていたボルトや溶接による補修、またはクレーンガーダー１の架け替えや抜本的な補強を行えばよい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、補強材３１を鋼部材の下面のみに配置することとしたが、上面にスペースが有る場合や、下面だけでは十分に強度を維持できない場合には、上面にも補強材３１および連結部材４１を取り付けてもよい。また、上記実施形態では、ウェブ２２を挟んで下フランジ２１の断面の左右両側に分けて補強材３１を配置したが、左右に分けずに下フランジ２１の下面全体に補強材３１を配置しても構わない。

また、連結部材および張力導入機構は、上記実施形態に記載したように棒鋼およびターンバックルに限らず、例えばジャッキ等を用いて張力を付与したＰＣ鋼線等でも構わない。さらに、形状記憶合金も使用可能である。

本発明は、振動等により疲労亀裂が生じた機械や構造物の梁や柱等の部材の補修に適用できる。

１ クレーンガーダー
１０ 補修構造
２１ 下フランジ
２２ ウェブ
２４ ガセットプレート
３１ 補強材
３２ 挟締金具
３３ 本体部
３３ａ 凹部
３４ 締め付けボルト
４１ 連結部材
４２ ターンバックル
４３ ピン受けプレート
４４ ピン
４５ クレビス
Ｃ 亀裂

Claims (8)

1. 亀裂が生じた鋼部材の補修構造であって、
   前記鋼部材の亀裂が生じた部位の、前記亀裂を挟んで前記鋼部材の長手方向両側に、それぞれ補強材が互いに隙間をあけて当接され、
   凹部を有する本体部と、前記凹部に挟んだ部材を２個所以上で締め付ける２つ以上の締め付けボルトとを備えた挟締金具によって、前記亀裂が生じた部位と前記補強材とが、前記凹部に挟まれて前記締め付けボルトで締め付けられ、
   前記長手方向両側の補強材同士が、連結部材を介して連結されていることを特徴とする、鋼部材の補修構造。
2. 前記連結部材は、張力導入機構を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の鋼部材の補修構造。
3. 前記連結部材の必要断面積Ａ_ｐｎ（ｍｍ^２）が、
   Ａ_ｐｎ＝Ａｓ×σｓ／σｐｓ
   で求められることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の鋼部材の補修構造。
   ただし、
   Ａｓ：補強材の断面積（ｍｍ^２）
   σｓ：補強材の強度（Ｎ／ｍｍ^２）
   σｐｓ：連結部材の強度（Ｎ／ｍｍ^２）
4. 前記連結部材が、高強度鋼の棒鋼であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼部材の補修構造。
5. 前記連結部材が、ＰＣ鋼線であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼部材の補修構造。
6. 前記鋼部材が、クレーンガーダーであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の鋼部材の補修構造。
7. 亀裂が生じた鋼部材の補修方法であって、
   前記鋼部材の亀裂が生じた部位の、前記亀裂を挟んで前記鋼部材の長手方向両側に、それぞれ補強材を、互いに隙間をあけて当接し、
   凹部を有する本体部と、前記凹部に挟んだ部材を２個所以上で締め付ける２つ以上の締め付けボルトとを備えた挟締金具によって、前記亀裂が生じた部位と前記補強材とを、前記凹部で挟んで前記締め付けボルトで締め、
   前記長手方向両側の補強材同士を、連結部材を介して連結することを特徴とする、鋼部材の補修方法。
8. 前記連結部材に張力を導入し、前記亀裂によって生じた変形を回復させることを特徴とする、請求項７に記載の鋼部材の補修方法。

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