JP4555794B2 - Metal parts or metal structures excellent in fatigue crack initiation / propagation prevention characteristics and methods for producing the same - Google Patents
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本発明は、部材の補剛や補強にリブを用いる金属部品や金属製構造物において、リブの長さ方向に繰返し負荷が生じ、疲労き裂の発生や伝播が懸念される、金属部品や金属製構造物(溶接構造物も含む。)とそれらの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a metal part or metal in which a metal part or metal structure using ribs for stiffening or reinforcement of a member is repeatedly subjected to a load in the length direction of the rib, and there is a concern about the occurrence or propagation of fatigue cracks. The present invention relates to a manufactured structure (including a welded structure) and a manufacturing method thereof.
金属部品や金属製構造物には、溶接、接着、鋳造、鍛造や種々の塑性加工など種々の方法によってリブ板が取り付けられている。構造上応力集中部となるリブが取り付けてある部位であって、リブ長さ方向の端部となる部位は、部品や構造物に作用する繰返し荷重により、疲労き裂の発生や進展が懸念される。特に、溶接リブの長さ方向の端部のトウは、溶接残留応力と応力集中が重畳するため疲労き裂が発生しやすく、部品や構造物寿命に関係する問題となることが多い。
金属部品や金属製構造物の疲労き裂発生防止の従来技術として、古くから、疲労き裂の発生する応力集中部に熱処理を施し残留応力を除去する方法や、グラインダーなどの装置を用いた切削処理により溶接トウ部の形状を滑らかにし応力集中を低下させる方法(例えば、特許文献1参照。)、また、ピーニング処理により溶接トウ部を叩くことにより塑性加工を加え、溶接残留応力の低減とトウ部の形状を改善する方法(例えば、特許文献2、特許文献3参照。)が広く用いられ、疲労き裂の発生特性を改善させている。
Rib plates are attached to metal parts and metal structures by various methods such as welding, adhesion, casting, forging, and various plastic workings. A portion where the ribs serving as structural stress concentration portion is attached, a portion the rib longitudinal direction of the end, the repetitive load acting on the component or structure, occurrence and development of fatigue crack is a concern The In particular, the toe end of the length direction of the welding ribs, fatigue crack tends to occur because the residual stress and the stress concentration is superposed, it is often a problem relating to the component or structure life.
As a conventional technique of Fatigue Crack Initiation prevent metal parts or metal structures, or methods for removing old from the residual stress by heat treatment on the stress concentrated portion occurring in the fatigue crack, cutting using a device such as a grinder A method of reducing the stress concentration by smoothing the shape of the weld toe by the treatment (for example, see Patent Document 1) , and applying plastic working by hitting the weld toe by the peening treatment to reduce the welding residual stress and method of improving the part shape (e.g.,
このほかにも、残留応力を解放させるための溶接部近傍に熱を加えながら溶接する方法(特許文献4参照。)や回し溶接継ぎ手の溶接順番を考慮して残留応力を下げたもの(特許文献5、特許文献6参照。)付加溶接や線状加熱によって残留応力分布を変化させるもの(特許文献7、特許文献8参照)や、溶接部の形状に工夫を加えることで応力集中を小さくするもの(特許文献9参照。)などが開示されている。
しかしながら、従来技術の熱処理による方法は、大型構造物など現地で施工する場合には、熱処理の設備を施工する場所へ搬送する必要があるが、設備が大型となることが多く搬送困難である場合が多いことや、構造物自体の熱容量が大きく非効率である場合も多く、適用することが難しい。また、切削処理による方法では、溶接されていない場合には疲労き裂の発生防止に効果的であるが、溶接部の場合、溶接残留応力の除去ができないため、溶接トウ部に引張の溶接残留応力が残ってしまい、疲労き裂発生の防止効果は限定的である。また、ピーニング処理は、疲労き裂の発生抑止特性向上に効果的であるが、圧縮応力の作用する部位は叩いた部位近傍に限られるため、ひとたび疲労き裂が発生してしまうと疲労き裂の進展防止には効果が小さいと考えられる。 However, if the method according to the heat treatment of the prior art, when applied in a field such as large structure, it is necessary to transport to the place of applying a heat treatment equipment, equipment is much transport difficult to become large In many cases, the heat capacity of the structure itself is large and inefficient, which is difficult to apply. In the method according to the cutting process, but if not welded is effective in prevention of fatigue crack, if the weld, because it can not remove the residual stress, welding residual tensile weld toe portion Stress remains, and the effect of preventing the occurrence of fatigue cracks is limited. Further, peening is effective in generating deterrence characteristics improve fatigue crack, because the site to the action of the compression stress is limited to near the site struck,-out once the fatigue and fatigue crack occurs Cracks This is considered to be less effective in preventing the progress of
また、残留応力を解放させるための溶接部近傍に熱を加えながら溶接する方法では主板に加熱による材質劣化の懸念が生じる。また、回し溶接継ぎ手の溶接順番を考慮して残留応力を下げたものでは最終ビードによる引張残留応力は回避できない。また、付加溶接や線状加熱によって残留応力分布を変化させるものは条件の管理が難しく、予期していない部分からのき裂の発生が懸念される。また、溶接部の形状に工夫を加えることで応力集中を小さくするものでは大きな欠陥が溶接部内に残ることになりその寸法を施工後確認するのが難しいなどの欠点があった。
そこで、本発明では、金属部品や金属製構造物の表面であって、金属製リブの長さ方向端部と交わる応力集中部付近を簡易な方法で圧縮応力状態にすることで、該応力集中部からの疲労き裂の発生と進展を抑制し、疲労き裂の発生や進展に対する抵抗を大きくすることのできる、疲労き裂の発生・進展抑止特性に優れた金属製構造物およびそれらの製造方法を提供することを課題とする。
Further, in the method of welding while applying heat in the vicinity of the weld for releasing the residual stress, the main plate may be deteriorated due to heating. Further, if the residual stress is lowered in consideration of the welding order of the turn welded joint, the tensile residual stress due to the final bead cannot be avoided. In addition, it is difficult to manage the conditions for changing the residual stress distribution by additional welding or linear heating, and there is a concern about the occurrence of a crack from an unexpected part. In addition , if the stress concentration is reduced by devising the shape of the welded part, a large defect remains in the welded part, and it is difficult to confirm the dimensions after construction.
Therefore, in the present invention, the stress concentration is obtained by forming a compressive stress state by a simple method in the vicinity of the stress concentration portion that intersects the lengthwise end of the metal rib on the surface of the metal part or metal structure. Metal structures with excellent fatigue crack initiation / development suppression properties that can suppress the occurrence and propagation of fatigue cracks from the joints and increase resistance to fatigue crack initiation and propagation, and their manufacture It is an object to provide a method.
上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
(1) 厚みbの金属製の主板または主管1から、厚みtが1mm以上、高さhが3t以上で、長さlの板状の金属製リブ2が突き出ており、該リブの長さ方向の端部にリブの厚み方向に圧痕形状の圧縮予ひずみ部を形成した金属部品または金属製構造物であって、該圧縮予ひずみ部は、板厚方向圧縮ひずみが0.5%以上25%未満であり、リブ面上に占める面積pが0.67t2以上であり、リブ長さ方向寸法kが0.5t以上3(t・b)0.5以下であり、リブ高さ方向寸法dが0.5t以上0.5h以下であり、その重心位置と前記主板または主管との距離aが0.5h以下かつ3t以下であり、その端部からリブ長さ方向端部までの距離eがリブの厚みtより小さいものであり、さらに、該圧縮予ひずみにより、前記リブの長さ方向端部であって、前記主板または主管と交差する部分4に、圧縮残留応力が働いていることを特徴とする、リブ端部から主板または主管への疲労き裂の発生・進展抑止特性に優れた金属部品または金属製構造物。
(2) 前記リブ2が溶接により前記主板または主管1に接合されており、リブおよび溶接部5の降伏強度が主板または主管1の降伏強度の95%以上であり、リブの引張強度が主板または主管の引張強度より大きく、リブの溶接部5がリブ端部から2h以上の距離に渡ってのど厚が0.5t以上であることを特徴とする、上記(1)に記載の疲労き裂の発生・進展抑止特性に優れた金属部品または金属製構造物。
(3) 厚みbの金属製の主板または主管1の表面に、厚みtが1mm以上、高さhが3t以上で、長さlの板状の金属性リブ2を形成した後、リブの板厚方向圧縮ひずみが0.5%以上25%未満の圧縮予ひずみ部3を、そのリブ長さ方向寸法kが0.5t以上3(t・b)0.5以下であり、リブ高さ方向寸法dが0.5t以上0.5h以下であり、そのリブ面上に占める面積pが0.67t2以上であるような圧痕形状で、その重心位置と前記主板または主管との距離aが0.5h以下かつ3t以下であり、その端部からリブ長さ方向端部までの距離eがリブの厚みtより小さい位置に形成することにより、前記リブの長さ方向端部であって、前記主板または主管と交差する部分4に、圧縮残留応力を付与することを特徴とする、疲労き裂の発生・進展抑止特性に優れた金属部品または金属製構造物の製造方法。
The gist of the present invention for solving the above problems is as follows.
(1) A plate-
(2) The
(3) After forming a plate-like
本発明は、金属部品や金属製構造物の表面であって、金属製リブの長さ方向端部と交わる応力集中部に簡易な方法で予め圧縮の残留応力を発生させることにより、該応力集中部からの疲労き裂の発生と進展を抑制することができるため、その産業上の効果は計り知れない。 The present invention is a surface of a metal part or a metal structure, and by generating a compressive residual stress in a simple manner in advance in a stress concentration portion that intersects with a longitudinal end portion of a metal rib, the stress concentration Since the generation and propagation of fatigue cracks from the parts can be suppressed, the industrial effect is immeasurable.
本発明は、金属部品や金属製構造物の表面であって、金属製リブの長さ方向端部と交わる応力集中部に簡易な方法で予め圧縮の残留応力を発生させることにより、該応力集中部からの疲労き裂の発生と進展を抑制することを特徴とするものである。
具体的には、請求項1に記載の発明は、厚みbの金属製の主板または主管1から、厚みtが1mm以上、高さhが3t以上で、長さlの板状の金属製リブ2が突き出ており、該リブの長さ方向の端部にリブ2の厚み方向に圧痕形状の圧縮予ひずみ部3を形成した金属部品または金属製構造物であって、該圧縮予ひずみ部3は、板厚方向圧縮ひずみが0.5%以上25%未満であり、リブ面上に占める面積pが0.67t2以上であり、リブ長さ方向寸法kが0.5t以上3(t・b)0.5以下であり、リブ高さ方向寸法dが0.5t以上0.5h以下であり、その重心位置17と前記主板または主管との距離aが0.5h以下かつ3t以下であり、その端部からリブ長さ方向端部までの距離eがリブ2の厚みtより小さいものであり、さらに、該圧縮予ひずみにより、前記リブの長さ方向端部であって、前記主板または主管と交差する部分4に、圧縮残留応力が働いていることを特徴とするものである。
The present invention provides the stress concentration by generating a compressive residual stress in a simple manner in advance in a stress concentration portion that intersects the lengthwise end portion of the metal rib on the surface of a metal part or metal structure. It is characterized by suppressing the occurrence and propagation of fatigue cracks from the part.
Specifically, the invention described in
本発明の対象を厚みbの金属製の主板または主管1から長さl、高さh、厚みtの板状の金属性リブ2が突き出た金属部品または金属製構造物とするのは、金属製の主板または主管と突き出たリブとが接する部位であって、該リブの長さ方向の端部4は、部品や構造物に荷重が作用した際に応力集中部となり、繰返し荷重下では疲労き裂の発生源となるからである。
また、該リブの長さ方向の端部にリブの厚み方向に0.5%以上25%未満の圧縮予ひずみ部3を形成させるのは、該リブと金属主板または主管1の接する部位であって、該リブの長さ方向の端部に圧縮の残留応力を発生させるためであり、0.5%より小さい圧縮ひずみでは十分な残留応力を発生させることは出来ず、25%より大きなひずみでは効果が頭打ちとなる上に板厚の減少や部材の巨視的な変形が顕著となり部品や構造物としての形状精度が損なわれるためである。
また、リブ2の厚みtを1mm以上としたのは、tが1mmより小さい場合には予ひずみ量の管理が困難であるためである。リブの厚みtが1mmより小さい場合でもリブの厚みt以外の本発明の特定事項を精度よく適用できれば本発明と同様の効力を発揮できる。
また、リブの長さ方向の寸法kが0.5t以上3(t・b)0.5以下の領域に圧縮予ひずみを与えるのは、kが0.5tより小さい場合、疲労き裂の発生が懸念される応力集中部に圧縮残留応力が十分に発生しないためであり、kが3(t・b)0.5超では主板の変形が顕著になることや疲労き裂の発生が懸念される応力集中部の圧縮残留応力が頭打ちもしくは減少するからである。
The object of the present invention is a metal component or metal structure in which a plate-like
In addition, the compression pre-strained
The reason why the thickness t of the
Further, the compression prestrain is applied to the region where the dimension k in the length direction of the rib is 0.5 t or more and 3 (t · b) 0.5 or less. This is because sufficient compressive residual stress is not generated in the stress concentration portion, and when k is greater than 3 (t · b) 0.5 , the deformation of the main plate becomes prominent and the occurrence of fatigue cracks is a concern. This is because the compressive residual stress of the sample reaches a peak or decreases.
また、圧縮予ひずみ部のリブ高さ方向寸法dを0.5t以上0.5h以下とするのは、dが大きいほど疲労き裂の発生が懸念される応力集中部4の圧縮残留応力が大きくなるからである。リブ面上に占める面積pが0.67t2以上の領域に圧縮予ひずみを付与するのは、面積pが0.67t2より小さい場合には疲労き裂の発生が懸念される圧縮予ひずみ部3から離れた応力集中部4に疲労き裂発生を阻止できるための十分な圧縮応力を発生させられないためである。
また、圧縮ひずみ部3の重心位置17と前記主板または主管との距離aが0.5h以下かつ3t以下、およびリブの端部から圧痕までの距離eがリブの厚みtより小さくする理由は、圧縮ひずみ部がリブの長さ方向の端部から離れると疲労き裂の発生が懸念される応力集中部4の圧縮残留応力が低下し、本発明の効果である疲労き裂発生抵抗が低下してしまうからである。
Moreover, the rib height direction dimension d of the compression pre-strained part is set to 0.5 t or more and 0.5 h or less because the compressive residual stress of the
The reason why the distance a between the center of
図1は、請求項1に記載の本発明の一実施例を示す図である。図1において、1は金属板、2は金属製リブ板、3は圧縮予ひずみ部、4は応力集中部を示す。図1のaは、圧縮予ひずみ部の重心17から疲労き裂の発生が懸念される金属板までの最短距離を示す。図1のeは、圧縮ひずみ部3の端部とリブ2の長さ方向の端部の最短距離を示す。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の疲労き裂発生・進展抑止特性が優れた金属部品または金属製構造物であって、前記リブが溶接により前記主板または主管1に接合されており、リブおよび溶接部5の降伏強度が主板または主管の降伏強度の95%以上であり、リブの引張強度が主板または主管の引張強度より大きく、リブの溶接部5がリブ端部から2h以上の距離に渡って、のど厚cが0.5t以上であることを特徴とする。リブの溶接部5がリブ端部から2h以上の距離に渡って、のど厚cが0.5t以上とするのは、リブに付与する圧縮予ひずみと該リブとリブを溶接により取り付けた主板または主管との間に生じる溶接残留応力によって溶接部を破壊することなしに、該リブに付与する圧縮予ひずみにより生じた応力を、該溶接部を介してリブ板2に接する主板または主管1に伝達させるために十分なのど厚が必要であるからである。また、リブおよび溶接部5の降伏強度を主板または主管1の降伏強度の95%以上とし、リブの引張強度を主板または主管の引張強度より大きくするのは、圧縮予ひずみにより生じた応力を主板または主管1に十分伝達させるためであり、リブと溶接部の強度は高いほど本発明の効果は高くなる。
FIG. 1 is a view showing an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a metal plate, 2 is a metal rib plate, 3 is a compression pre-strain portion, and 4 is a stress concentration portion. FIG. 1a shows the shortest distance from the center of
The invention according to
図2は、請求項2に記載の本発明の一実施例を示す図である。図2において、5は隅肉溶接部を示す。図3は、図2の溶接構造をリブ板2の板厚中央に対応する面で切った場合の断面を示す。図3のcは、隅肉溶接部5ののど厚である。
請求項3に記載の本発明は、厚みbの金属製の主板または主管1表面に、厚みtが1mm以上、高さhが3t以上で、長さlの板状の金属性リブ2を形成した後、リブの板厚方向圧縮ひずみが0.5%以上25%未満の圧縮予ひずみ部3を、そのリブ長さ方向寸法kが0.5t以上3(t・b)0.5以下であり、リブ高さ方向の寸法dが0.5t以上0.5h以下であり、そのリブ面上に占める面積pが0.67t2以上であるような圧痕形状で、その重心位置と前記主板または主管との距離aが0.5h以下かつ3t以下であり、その端部からリブ長さ方向端部までの距離eがリブの厚みtより小さい位置に形成することにより、前記リブの長さ方向端部であって、前記主板または主管と交差する部分4に、圧縮残留応力を付与することを特徴とする、疲労き裂の発生・進展抑止特性に優れた金属部品または金属製構造物の製造方法とするものである。なお、圧縮予ひずみを金属製リブ形成後に与える作用効果は、該リブと該主板または主管の間にせん断応力を生じさせ、該リブの長さ方向端部であって、該主板または主管と交差する部分4に圧縮残留応力を生じさせるものである。
FIG. 2 is a view showing an embodiment of the present invention. In FIG. 2, 5 indicates a fillet weld. FIG. 3 shows a cross section when the welded structure of FIG. 2 is cut along a plane corresponding to the center of the plate thickness of the
According to the third aspect of the present invention, a plate-shaped
本発明の図4に示す構造モデルと該構造モデルと同形状であって圧縮予ひずみを与えない構造モデルの有限要素解析を行い、本発明の構造物における圧縮予ひずみが疲労き裂の発生しやすい応力集中部の応力状況に及ぼす影響を説明する。
前記構造モデルは、例として、主板とリブ板共に降伏応力330MPaであり、引張強度が490MPaである鋼材で構成されているものと仮定し、図4の矢印方向に引張荷重が作用することを想定してモデル化した。構造モデルは、表1に各部の寸法と併せて示したように記号AからYまでの25種類であり、これらすべてについて有限要素解析を行った。構造モデルの主板の厚みbは8〜16mm、リブ板の厚みtは8〜24mmとした。また、圧縮予ひずみ部の形状は、リブ板2の長さ方向の寸法kを10〜80mm、リブ板2の高さ方向の寸法dを8〜24mmの矩形の面を持ち、主板1と圧縮予ひずみ部3までの距離a−d/2を8〜16mm、リブの長さ方向端部からの距離eを5〜10mmとした。予ひずみ部となる面に変位制御で圧縮および除荷によって、リブ板2に厚み方向の残留ひずみとして約2.5%の塑性歪を与えた。
A finite element analysis of the structural model shown in FIG. 4 of the present invention and a structural model that has the same shape as the structural model and does not give a compressive pre-strain is performed, and the compressive pre-strain in the structure of the present invention generates a fatigue crack. The influence of the stress concentrated part on the stress situation will be explained.
As an example , the structural model assumes that the main plate and the rib plate are made of a steel material having a yield stress of 330 MPa and a tensile strength of 490 MPa, and a tensile load acts in the direction of the arrow in FIG. And modeled. There are 25 types of structural models from symbols A to Y as shown in Table 1 together with the dimensions of each part, and finite element analysis was performed for all of these. The thickness b of the main plate of the structural model was 8 to 16 mm, and the thickness t of the rib plate was 8 to 24 mm. The compression pre-strained portion has a rectangular surface in which the length k of the
例として、モデルDの場合について、予ひずみ付与の後の予ひずみ部近傍の残留応力分布の例を図5に示す。構造モデルの矢印方向に引張荷重が作用した際に応力集中部となる部位4の応力は圧縮となっている。図5の等高線につけた数字はリブの材軸方向の引張応力をMPaの単位で示したものである。なお、図5において6は、リブ板2の板厚中央で半分にした場合の断面を示している。
次に、有限要素法解析により求めた、前記構造モデルで前記予ひずみ付与後に、構造モデルDの矢印方向に降伏応力の半分(165MPa)の引張負荷を与えた場合についての引張方向応力分布を図7に、また、予ひずみを与えずに構造モデルDと同様に矢印方向に降伏応力の半分の引張負荷を与えたモデルD’の場合についての引張方向応力分布を図6に示す。図6、図7の等高線につけた数字はリブの材軸方向の引張応力をMPaの単位で示したものである。構造モデルDの部位4の応力は、構造モデルD’の部位4の応力に対して著しく低くなっている。
As an example, FIG. 5 shows an example of the residual stress distribution in the vicinity of the prestrained portion after the prestraining for the model D. When a tensile load is applied in the direction of the arrow of the structural model, the stress at the
Next, the tensile direction stress distribution obtained by applying a half of the yield stress (165 MPa) in the arrow direction of the structural model D after applying the pre-strain in the structural model, obtained by finite element method analysis, is shown in FIG. 7 and FIG. 6 shows the tensile direction stress distribution in the case of model D ′ in which a tensile load half the yield stress is applied in the direction of the arrow in the same manner as the structural model D without prestraining. 6 and 7 indicate the tensile stress in the material axis direction of the rib in units of MPa. The stress at the
一般に、繰り返し負荷を受ける金属製部品や金属製構造物は、応力集中を除いた部位で使用時の応力は降伏応力の半分程度以下となるように設計されている。構造モデルD’で示したような応力集中部4では局所的に降伏する程度の応力が繰り返し作用することもあり、疲労き裂の発生が懸念される。本発明の構造モデルDの応力集中部4では端部に降伏応力の半分の引張負荷を与えても生じる引張応力が極めて小さくなるため、疲労き裂の発生が抑制される効果がある。
本発明を適用した構造モデルの端部に引張負荷を与えた場合の応力集中部4に生じる応力は、予ひずみを与えて除荷した時点での圧縮残留応力が大きいほど疲労き裂発生に対する抵抗が大きいと考えられる。該圧縮残留応力は、特に、リブ板の厚みtや高さhや圧縮予ひずみ部の位置や大きさ、また、溶接によりリブ板が取り付けられた場合には溶接部の形状の影響を受けるため、それぞれの因子の影響について有限要素解析を用いて検討した。該有限要素解析の結果を用いて作成した、本発明の構造モデルの応力集中部に生じる圧縮残留応力を記載した表1に基づいて、請求項1に記載の本発明について説明する。
Generally, metal parts or metal structures subjected to cyclic loading, the stress during use at a site other than the stress concentration are designed to be equal to or less than about half the yield stress. In the
The stress generated in the
モデルK、X、Y、の結果から、リブ板の背hは高い方が応力集中部4に生じる圧縮残留応力が大きい。これは、圧縮予ひずみを受けた部分の周りの弾性領域が大きい方が応力集中部に生じる圧縮残留応力が大きくなることを表しており、圧縮予ひずみを受けた部分の周りの弾性領域が十分確保できるようh≧2dとした。
モデルKとOの比較、モデルB、C、Dの比較の結果、また、モデルH、I、Jの比較の結果から、圧縮予ひずみ部3の寸法dは大きい方が応力集中部に生じる圧縮残留応力が大きく、圧縮応力が顕著に表れるが、dが大きくなりhに近づくと効果が頭打ちになるため、dは0.5t以上0.5h以下とした。
From the results of the models K, X, and Y, the compressive residual stress generated in the
From the comparison results of models K and O, models B, C, and D, and the comparison results of models H, I, and J, the compression
モデルD、E、F、G、Hの比較の結果およびモデルO、P、Q、R、S、T、Uの比較の結果から、圧縮予ひずみ部3の寸法kは大きくなると応力集中部に生じる圧縮残留応力が大きくなるが、ある程度以上大きくなると圧縮残留応力が低下する。これはkが大きく、リブ板2が厚くなると主板1に曲げが生じやすくなることや主板側にも塑性ひずみが生じやすくなるためであり、0.5t<k<3(t・b)0.5とした。
モデルO、Nの比較の結果などから、リブ2の端部からの圧縮予ひずみ部3までの距離eは小さい方が応力集中部4に生じる圧縮残留応力が大きく、e<tとした。
モデルA、Dの比較の結果などから、主板1から圧縮予ひずみ部3までの距離a−d/2は小さい方が応力集中部に生じる圧縮残留応力が大きく、a<3tとした。
モデルU、V、Wの比較の結果から、両面にリブ板を付けて本発明で行う圧縮予ひずみを与えた場合、片面リブ板の場合よりも、応力集中部に生じる圧縮残留応力が大きく、片側リブよりは両側リブの方が効果が高い。
From the comparison results of models D, E, F, G, and H and the comparison results of models O, P, Q, R, S, T, and U, when the dimension k of the compression
From the comparison results of models O and N, etc., the smaller the distance e from the end portion of the
From the comparison results of models A and D, the compressive residual stress generated in the stress concentration portion is larger when the distance ad-2 from the
From the results of comparison of models U, V, and W, when compressive prestrain is applied in the present invention with rib plates attached to both sides, the compressive residual stress generated in the stress concentration portion is larger than in the case of single-sided rib plates, Both-side ribs are more effective than one-side ribs.
前記圧縮予ひずみを与える方法としては、図8に示すように円形や矩形の平面の断面を持つ押しポンチ7をプレス装置等を用いてリブ板2に押し当てる方法が考えられるが、同様の圧縮負荷を与えられる装置であれば他の装置でも可能である。なお、押しポンチ7で圧縮予ひずみを与えた場合、押しポンチ7の角部がリブ板2に段差を作ることになるが、この段差は応力集中を発生させるため、できるだけ滑らかになるよう、面取りや曲面加工しておくことが望ましい。
ポンチの断面形状については矩形以外にも円形の他、種々の形状が適用可能であり、効果には大きな差は出ないと考えられるため、自由にデザインできるが、ポンチの寿命を延ばし、圧縮荷重をできるだけ低くするためには外に凸の中実断面が合理的である。
ポンチの大きさについては鋼材の内部にまで十分に塑性歪を与えることが重要であるためポンチの寸法はリブ板厚tと比例させる必要がある。また、所定の圧縮ひずみをリブ板に付与するためには圧縮面積に比例して大きな圧縮荷重が必要となり、負荷が困難となることがあるため注意が必要である。圧縮予ひずみ付与面積pは板厚tに対して0.67t2以上と定めたが、これより大きくなりすぎると、予ひずみを付与するために必要な荷重が面積に比例して大きくなり実施する設備が大きくなるため困難となる場合があることや、予ひずみによる残留応力で主板の平面性が失われる可能性があることに注意する必要がある。適切な圧縮予ひずみ付与装置を準備し、各寸法は本発明の効果の期待できる範囲となるよう設定するのが望ましい。
As a method for applying the compression pre-strain, a method of pressing a
As for the cross-sectional shape of the punch, various shapes other than a rectangle can be applied besides the rectangle, and it is considered that there will be no significant difference in the effect, so it can be freely designed, but it will extend the life of the punch and compress the load In order to make the height as low as possible, an outwardly convex solid section is reasonable.
As for the size of the punch, it is important to give sufficient plastic strain to the inside of the steel material, so the size of the punch needs to be proportional to the rib plate thickness t. Further, in order to apply a predetermined compressive strain to the rib plate, a large compressive load is required in proportion to the compression area, and care must be taken because the load may be difficult. Compression prestrain applied area p has been defined as 0.67T 2 or more with respect to the plate thickness t, above which excessively large, Ri Na increased in proportion to the load area required to impart prestrain implementation It must be noted that the equipment to be used may become difficult due to the increase in size, and that the flatness of the main plate may be lost due to residual stress due to pre-strain . It is desirable to prepare an appropriate compression prestraining device and set each dimension to be within a range where the effect of the present invention can be expected.
圧縮負荷の回数は所定のひずみの範囲になるまで複数回押してよく、ポンチの大きさとリブ板2の強度の関係から圧縮負荷装置の負荷荷重が十分に取れない場合には、ポンチの位置をずらしながら、面積が0.67t2以上の領域を面積が0.5t2以上のポンチを用いて複数回圧縮負荷を与えることにより、0.5%以上かつ25%未満のひずみを圧縮負荷により与えることで同様の効果が得られる。
また、本発明では圧縮予ひずみ部をリブ取り付け後に設けなければ、主板表面であって、リブ板と接する部分のリブ板の長手方向端部4に圧縮予ひずみによる圧縮応力が発生せず、疲労き裂発生阻止の効果は得られない。そこで、本発明を適用しているかどうかについて疑わしい場合については、磁歪法やX線を用いた方法等によって圧縮予ひずみ部付近の残留応力分布を確認することで、容易に本発明を適用していることが確認できる。
また、本発明は既存の構造物に対して適用することも可能であり、既存構造物の疲労き裂発生防止方法としても有効である。
The number of compression loads may be pushed several times until the predetermined strain range is reached. If the load of the compression load device is not sufficient due to the relationship between the size of the punch and the strength of the
Further, in the present invention, if the compression pre-strained portion is not provided after the rib is attached, the compression stress due to the compression pre-strain does not occur at the
The present invention can also be applied to existing structures, and is also effective as a method for preventing the occurrence of fatigue cracks in existing structures.
図9のリブ板付き鋼板の疲労き裂発生試験を行った。使用した鋼板は主板8が板厚24mmで降伏応力が400MPaの溶接構造用鋼板であり、リブ板9が板厚10mmで降伏応力が380MPaの溶接構造用鋼板である。リブ板9の取り付け溶接10は490MPa級の強度を持つ材料を用いてCO2溶接によりおこなった。試験片F1〜試験片F5は本発明を適用した試験体であり、圧縮負荷部の寸法を表2に示した。また、圧縮予ひずみ量は2.5%とした。試験片F0は本発明を適用していない試験片である。どの試験片についても、リブ板は同じ条件で隅肉溶接を行い、脚長を5mmとし、溶接部断面を調査した所、のど厚3.5mmを確保した。
負荷した荷重は、部材の降伏荷重の1/4を中心に主板端部での応力振幅が降伏応力の1/4となる繰り返し荷重を1周期が1秒間に10回となるようあたえ、溶接トウ部11に生じる疲労き裂長さが10mmとなった場合の繰り返し負荷の周期数を実験的にもとめた。
実験の結果、試験片F0は1×106回程度の繰り返し負荷周期で所定の疲労き裂が生じた。それに対し、本発明の試験体においては、試験片F1は5×106回、試験片F5は7×106回で所定のき裂が見られたものの、試験片F2,F3,F4では1.5×107回でも疲労き裂が発生しなかった。このことから、疲労き裂の発生に対しては5倍程度以上の性能が得られるものと考えられる。
The applied load is a repetitive load in which the stress amplitude at the edge of the main plate is 1/4 of the yield stress centering on 1/4 of the yield load of the member so that one cycle is 10 times per second. The number of cycles of the repeated load when the fatigue crack length generated in the
As a result of the experiment, a predetermined fatigue crack occurred in the test piece F0 at a repeated load cycle of about 1 × 10 6 times. On the other hand, in the specimen of the present invention, the test piece F1 was 5 × 10 6 times and the test piece F5 was 7 × 10 6 times, and a predetermined crack was observed, but the test pieces F2, F3 and F4 were 1 No fatigue cracks occurred even after 5 × 10 7 times. From this, it is considered that a performance of about 5 times or more can be obtained for the occurrence of fatigue cracks.
道路の照明などに用いられる鋼管ポールは風による繰り返し曲げ荷重を受ける。また、鋼管ポールの基部は補強のためリブ板が取り付けられていることがあり、リブの端部は溶接による残留応力と風による繰り返し荷重とが重畳することにより、リブ板によるポール側の応力集中部に疲労き裂が発生することがある。そこで、図10に示す直径17cm、管厚bは6mmの鋼管ポール13の実大モデルを作製した。前記モデルの基部はベースプレート12にリブ板15を用いて、溶接で取り付け、リブ板15の円柱ポール13側に本発明を適用した。リブ板15の厚みtは6mmであり、8枚を完全とけ込み溶接で取り付けた。
本発明を適用した鋼管ポールモデルとリブ板溶接ままの通常の鋼管ポールモデルを作製し、両振りの繰り返し曲げ試験を行い、疲労き裂の発生特性を比較した。
圧縮予ひずみ部14の寸法は図1に示した各部の寸法で示すと、aが6mm、dが12mm、eが2mm、kが12mm、hが25mmである。
載荷条件は基部の応力振幅が160MPaとなるよう両振り試験を行った。
実験の結果、通常の鋼管ポールモデルでは7×105回で応力集中部16から実施例1で用いた疲労き裂評価基準である疲労き裂長さ10mmに達したものの、本発明を適用したモデルでは疲労き裂が確認できなかった。本発明を適用したモデルではさらに1×107回まで繰り返し載荷を行ったところで、疲労き裂が10mmに達し、本発明の有効であることが確認できた。
Steel pipe poles used for road lighting and the like are subjected to repeated bending loads caused by wind. In addition, a rib plate may be attached to the base of the steel pipe pole for reinforcement, and the stress concentration on the pole side due to the rib plate is superimposed on the end of the rib by superimposing residual stress due to welding and repeated load due to wind. Fatigue cracks may occur at the part. Therefore, a full-scale model of a
A steel pipe pole model to which the present invention was applied and a normal steel pipe pole model as welded with a rib plate were prepared, a repeated bending test of both swings was performed, and fatigue crack generation characteristics were compared.
When the dimensions of the compression
As the loading condition, a double swing test was performed so that the stress amplitude of the base was 160 MPa.
As a result of the experiment, the normal steel pipe pole model has reached the fatigue crack length of 10 mm, which is the fatigue crack evaluation standard used in Example 1, from the
1 主板または主管
2 リブ板
3 圧縮予ひずみ部
4 応力集中部
5 溶接部
6 構造モデル中央断面
7 ポンチ
8 鋼板
9 リブ板
10 溶接部
11 溶接トウ部
12 ベースプレート
13 鋼管ポール
14 応力集中部
15 リブ板
16 圧縮予ひずみ部
17 圧縮予ひずみ部の重心
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