JP4441641B1 - 鋼構造物の疲労き裂補修方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】鋼板1の表面の疲労き裂3を挟んだ両側のうち少なくとも一側を疲労き裂3と平行にピーニングすることにより鋼板1の表面に塑性変形を付与し、疲労き裂3の開口部を閉じてき裂接触面3aを形成する疲労き裂周辺ピーニング工程を有する。さらに、好ましくは、疲労き裂周辺ピーニング工程の後工程として、疲労き裂3の直上をピーニングすることにより鋼板1の表面に塑性変形を付与し、き裂接触面3aの接触面積及び/又は接触圧力を増加する疲労き裂直上ピーニング工程を有する。
【選択図】図1
Description
対象とした鋼構造物の疲労き裂補修方法と同様に、鋼構造物に発生したごく初期段階の疲
労き裂に対しても適用可能であるとともに、この疲労き裂を簡便かつ安価に補修すること が可能であり、疲労き裂の進展を止める、あるいは疲労き裂の進展を遅延させて鋼構造物の疲労寿命の延命化を図ることができる。
図1に本実施形態の疲労き裂補修方法を説明する斜視図を示す。図1(a)は鋼材の平板部に疲労き裂が発生した状況、図1(b)は疲労き裂周辺ピーニング工程を実施している状況、図1(c)は疲労き裂直上ピーニング工程を実施している状況を示している。
なお、以降の実施形態においても本実施形態と同一のピーニング治具4とチッパー4aを使用している。
図2に本実施形態の疲労き裂補修方法を説明する斜視図を示す。図2(a)は鋼材のすみ肉溶接止端に疲労き裂が発生した状況、図2(b)は疲労き裂周辺ピーニング工程を実施している状況、図2(c)は疲労き裂直上ピーニング工程を実施している状況を示している。
以上で説明した第1及び第2実施形態はいずれも、疲労き裂3が開口する方向に働く引張応力に対して、き裂接触面3aに導入した圧縮残留応力が抵抗することによって、疲労き裂3が開口しにくくなる、あるいはき裂開口幅が広がりにくくなり、疲労き裂3の進展を止める、あるいは疲労き裂3の進展を遅延させて鋼構造物の疲労寿命の延命化を図ることができるという共通の作用効果を有している。
ここで、aはき裂の進展方向の長さ(mm)、Nは応力繰返しサイクル数、Cとmは材料定数で、鋼材ではmは3に近い値となる。また、ΔKthは疲労き裂進展速度のしきい値で、鋼材では2.5(MPa・m1/2)程度である。応力拡大係数範囲ΔKは、式2で表現される。
ここで、Δσは応力範囲(MPa)、Fは部材の形状やき裂の形によって変わる係数であり、遠方に応力σが作用する平板に長さ2aのき裂がある場合のGriffithき裂との差を示す。
すなわち図3(c)の疲労き裂3の応力拡散係数範囲ΔKは、図3(a)の疲労き裂3の応力拡散係数範囲ΔKの0.7倍となる。前述のとおりΔKが小さくなると、その3乗に逆比例して疲労き裂進展速度da/dNが小さくなることから、ΔKが0.7倍となれば、疲労き裂進展寿命Npは1/(0.73)=約3倍となる。
図5は前述の第1及び/又は第2実施形態における疲労き裂補修方法を面外ガセット溶接継手に適用した実施形態を示しており、図5(a)は面外ガセット溶接継手5のまわし溶接部7の溶接止端に発生した疲労き裂3が進展してすみ肉溶接金属2の溶接止端から離れ始めた時点(Nb)で疲労き裂3を補修している状況、図5(b)はまわし溶接部7の溶接止端に発生した疲労き裂3が進展してすみ肉溶接金属2の溶接止端から離れて鋼板1の平板部まで10mm進展した時点(N10)で疲労き裂3を補修している状況を示している。
本発明の疲労き裂周辺ピーニング工程においては疲労き裂3の周辺を先行してピーニングするため、単に疲労き裂3の直上のみをピーニングする場合よりも、効率よくき裂接触面3aを形成し、き裂接触面3aに圧縮残留応力を発生させることができる。この作用効果について、有限要素解析によって定性的に実証した。
図7に比較解析例として疲労き裂3の直上のみをピーニングした場合の有限要素解析モデルを示す。疲労き裂3が発生した鋼板1としては溶接構造用圧延鋼材(JIS G 3106)の鋼種SM400を想定した。SM400は、引張強度400MPa、降伏点235MPaとJISで規定されている材料である。ここではSM400を例としているが、SM490Yなどの鋼材も鋼構造部材として一般に利用されている。
降伏応力σY=235MPa(SM400)
材料構成側 :線形弾性−完全塑性,等方硬化則(ピーニング治具線形弾性)
降伏条件 :Von Mises
接触状態 :圧縮のみ伝達,摩擦なし
解析コード :Msc Marc 2005r3
ピーニング量:幅10mm,深さ0.5mm
図7に示すとおり、鋼板1の幅は50mm、厚さは12mmであり、鋼板1の表面中央から幅0.01mm、深さ4mmの疲労き裂3が発生している。鋼板1の下面はヒンジで支持されており、下面中央はX方向及びY方向に固定、下面中央以外はX方向が自由、Y方向が固定となっている。
図9に前述の第1実施形態の疲労き裂補修方法を模擬した有限要素解析モデルを示す。チッパー4aの寸法と、疲労き裂周辺ピーニング工程(ピーニング軌道L1及びL2)に続いて疲労き裂直上ピーニング工程(ピーニング軌道L3)を実施すること以外の解析条件については比較解析例と同一条件とした。
本実施例は、前述した第1実施形態の疲労寿命の延命化効果を実験により検証したものである。実験には図11に示す板曲げ疲労試験機10を使用した。板曲げ疲労試験機10は、平板試験体11の一端側をボルト固定して、他端側に加振器10aにより繰返し載荷を行う装置である。
本実施例は、前述した第3実施形態の疲労寿命の延命化効果を実験により検証したものである。実験には実施例1と同様に図11に示す板曲げ疲労試験機10を使用した。
1 … 鋼板 2 … すみ肉溶接金属
3 … 疲労き裂 3a … き裂接触面
4 … ピーニング治具 4a … チッパー
5 … 面外ガセット溶接継手 6 … ガセットプレート
7 … まわし溶接部 8,8a … ガイド
9 … ガイド固定治具 10 … 板曲げ疲労試験機
10a… 加振器 11 … 平板試験体
11a… 溶接ビード 11b… ノッチ
12 … ひずみゲージ 13 … 面外ガセット溶接継手試験体
14 … 鋼構造部材 15 … 超音波衝撃処理装置
16 … 超音波処理面
Claims (7)
- 鋼材の平板部又は曲板部に発生した疲労き裂を補修の対象とし、
鋼材表面の疲労き裂を挟んだ両側のうち少なくとも一側を該疲労き裂と平行にピーニングすることにより該鋼材表面に塑性変形を付与し、該疲労き裂の開口部を閉じてき裂接触面を形成する疲労き裂周辺ピーニング工程と、
前記疲労き裂周辺ピーニング工程の後工程として、前記疲労き裂の直上をピーニングすることにより前記鋼材表面に塑性変形を付与し、前記き裂接触面の接触面積及び/又は接触圧力を増加する疲労き裂直上ピーニング工程と、
を有することを特徴とする鋼構造物の疲労き裂補修方法。 - 鋼材の溶接止端に発生した疲労き裂を補修の対象とし、
鋼材表面の疲労き裂を挟んだ両側のうち溶接金属側と異なる一側を該疲労き裂と平行にピーニングすることにより該鋼材表面に塑性変形を付与し、該疲労き裂の開口部を閉じてき裂接触面を形成する疲労き裂周辺ピーニング工程と、
前記疲労き裂周辺ピーニング工程の後工程として、前記疲労き裂の直上をピーニングすることにより前記鋼材表面に塑性変形を付与し、前記き裂接触面の接触面積及び/又は接触圧力を増加する疲労き裂直上ピーニング工程と、
を有することを特徴とする鋼構造物の疲労き裂補修方法。 - 面外ガセット溶接継手のまわし溶接部における溶接止端に発生した疲労き裂を補修の対象とし、
溶接止端に発生した疲労き裂が進展して該溶接止端から離れる前の状態において、該溶接止端に請求項2に記載の疲労き裂補修方法を適用することを特徴とする鋼構造物の疲労き裂補修方法。 - 面外ガセット溶接継手のまわし溶接部における溶接止端及びその周辺に発生した疲労き裂を補修の対象とし、
溶接止端に発生した疲労き裂が進展して該溶接止端から離れて平板部又は曲板部まで進展した後の状態において、該平板部又は曲板部に請求項1に記載の疲労き裂補修方法を適用するとともに、該溶接止端に請求項2に記載の疲労き裂補修方法を適用することを特徴とする鋼構造物の疲労き裂補修方法。 - 前記疲労き裂と平行に設置したガイドにより前記ピーニングの軌道を案内しながら、該ピーニングを行うことを特徴とする請求項1〜4のうちのいずれか一つに記載の鋼構造物の疲労き裂補修方法。
- 前記き裂接触面に作用する圧縮残留応力が設計引張応力以上であることを特徴とする請求項1〜5のうちのいずれか一つに記載の鋼構造物の疲労き裂補修方法。
- 前記き裂接触面に作用する圧縮残留応力が降伏応力以上であることを特徴とする請求項6に記載の鋼構造物の疲労き裂補修方法。
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