JP4706279B2 - 鋼材の寿命予測方法及びその装置並びにコンピュータプログラム - Google Patents
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Description
(1)飛来海塩による地域区分 耐候性鋼
(2)鉄骨構造建築物の耐久性向上技術 普通鋼
(3)当該鋼種の暴露試験 任意の鋼種
(4)腐食量予測式 耐候性鋼
等があり、これらは必要に応じて使い分けられている。
上記の(3)の暴露試験による鋼材の腐食量は、
Y=AXB、Y:腐食量、X:年数
の式で表されることが知られている。腐食量のしきい値Y1imを設定することにより、そのときのX1im年を寿命とする方法である。腐食寿命の判断の目安は、例えば100年の推定片側板厚減少量が0.5mm以下である。この式のA、Bは環境や鋼種によって変化するため、A、Bを決定するために、実環境又は実環境に近い環境に試験片を暴露し、試験片の腐食量の経年変化(X,Y)から累乗近似する方法が用いられている。
A=CSa γ Sa:飛来塩分量、C,γ:回帰係数
B=0.73
即ち、Aは飛来塩分と相関があるとし、Bは鋼種・暴露方向、設置場所等によらず0.73としている。
Z=α・TOW・exp(-κ・W)・(C+δ・S)/(1+ε・C・S)・exp(-Ea/RT)
α=106, κ=-0.1, δ=0.05, ε=10.0, Ea=50kJ/mol・K
Z:腐食性指標,R:気体定数, C:飛来塩分, S:硫黄酸化物量,
TOW:年間濡れ時間(h),W:年平均風速(m/sec),T:年平均気温(K)
「耐候性鋼材の橋梁への適用に関する共同研究報告書(XVIII)」(建設省土木研究所,(社)鋼材倶楽部,(社)日本橋梁建設協会、平成5年3月発行)
但し、T:温度(℃)、PW:濡れ確率、Sa:飛来塩分量(mdd)、TOW:年間漏れ時間(h)である。
A=(α・T+β)・PW(T,H)・(Sa γ)
T:温度(℃),H:相対湿度(%),Sa:飛来塩分量(mdd)
PW(T,H):濡れ確率、
α、β、γ:鋼種に応じて設定された係数
B=f(A)、ただし、f(A)はAの関数であることを示す。
A=k(α・T+β)・TOW・(Sa γ)
X:暴露時間(y),Y:板厚減少量(mm)
T:温度(℃),Sa:飛来塩分量(mdd)
TOW:年間濡れ時間(h)、k:係数
α、β、γ:鋼種に応じて設定された係数
B=f(A)、ただし、f(A)はAの関数であることを示す。
A<0.083のとき、B=−4611.3A3+7,9.19A2−32.421A+1.0109
0.083≦Aのとき、B=0.9〜1.1
に設定する。
A≦0.03のとき、B=0.5〜0.7、
0.03<A<0.083のとき、B=−4611.3A3+769.19A2−32.421A+1.0109
0.083≦Aのとき、B=0.9〜1.1
に設定する。
A=(α・T+β)・PW(T,H)・(Sa γ)
T:温度(℃),H:相対湿度(%),Sa:飛来塩分量(mdd)
PW(T,H):濡れ確率、
α、β、γ:鋼種に応じて設定され係数
B=f(A)、ただし、f(A)はAの関数であることを示す。
A=k(α・T+β)・TOW・(Sa γ)
T:温度(℃),Sa:飛来塩分量(mdd)
TOW:年間濡れ時間(h)、
α、β、γ:鋼種に応じて設定された係数
B=f(A)、ただし、f(A)はAの関数であることを示す。
本発明の実施形態1として、鋼材の腐食量予測式Y=AXB(Y:腐食量、X:年数、A,B:材料と環境に依存する係数、べき数)を用いた鋼材の寿命予測をする方法を説明するが、それに先だって、まず、本実施形態1に係る寿命予測方法の計測原理を説明する。
Y=AXB、Y:腐食量、X:年数 …(1)
A=CSa γ=(α・T+β)・PW(T,H)・(Sa γ) …(2)
B=f(A)
A≦0.03のとき、
B=0.5〜0.7の範囲内で任意に設定、望ましくは0.6(理論的には放
物線則0.5乗と考えられるが、実際に形成れるさびは完全に緻密でないため、
0.5〜0.7で変動する。)
例えば、初期値としてB=0.6と設定し、寿命予測精度の更なる向上等の必要に応じて、B=0.5〜0.7の範囲内で調整すればよい。
0.03<A<0.083のとき、
B=−4611.3A3+769.19A2−32.421A+1.0109
ただし、より簡便とするためにA≦0.03のときにおいても、上記の式(B=−4611.3A3+769.19A2−32.421A+1.0109)を適用してもよい。
0.083≦Aのとき、
B=0.9〜1.1の範囲内で任意に設定、望ましくは1 …(3)
例えば、初期値としてB=1.0と設定し、寿命予測精度の更なる向上等の必要に応じて、B=0.9〜1.1の範囲内で調整すればよい。
T:温度(℃),H:相対湿度(%),Sa:飛来塩分量(mdd),
PW(T,H):濡れ確率
α,β,γ:鋼種に応じた係数
なお、上記(2)式において、温度Tに関する項は、実際の対象となる温度範囲が比較的狭いので、直線近似にしてある。また、湿度Hに関する項は、腐食量が濡れ時間に比例すると考え、KuceraらがISOに提案した濡れ確率関数を導入した(Kucera, Tidblad, Mikhailov: ISO/TC156/WG4-N314, Annex A (1999))。これは温度、湿度ごとにP(T),P(H)が数値表で与えられ、両者の積が濡れ確率(PW=P(T)×P(H))となる。年間の濡れ時間は8766h×PW(濡れ確率)である。なお、P(T)及びP(H)の数値表は次のとおりである。なお、この濡れ確率PW(T,H)は、kuceraの式によると、濡れ確率PW(T,H)=N (T;0;9.96)*β(H/100;4.67;1.78)で表される。表1にP(T),P(H)の数値表の一部を抜枠して示す。
TOW(h)=8766×PW(T,H)
で表されるから、上記(2)式は年間濡れ時間TOWの関数として次のように表される。
A=k(α・T+β)・TOW・(Sa γ) …(2a)
TOW:年間濡れ時間(h)、k:係数
前述のようにA値を短期間の暴露試験により算出することができるので、鋼種に応じた係数α,β,γに関しては、同一の鋼種において3条件以上の環境(T,PWまたはTOW,Sa)の下で、A値を求めることにより各値を特定することができる。
さらに実験室での試験により係数α,β,γを決定することもできる。以下に実験室の試験に基づいてα,β,γを求める方法の一例について詳しく説明する。
(1)13℃/95%×12h−20℃/65%×12h
(2)20℃/95%×12h−27℃/65%×12h
(3)25℃/95%×12h−32℃/65%×12h
(4)20℃/95%×12h−35℃/40%×12h
(5)25℃/95%×12h−40℃/40%×12h
(6)13℃/95%×12h−28℃/40%×12h
図16(A)(B)(C)はSMA、鋼種1及び鋼種2の付着塩分量ごとの腐食量の時間変化を示した特性図である。同図の特性から各付着量に対応したA値が求められる。
A' = (α'T+β')・Pw(T, H)・(Saγ)に塩分、温度、湿度を代入して、
乾燥ステップの腐食量 A'(13℃/95%、0.4mdd、乾燥) = (13α'+β')・Pw(13, 95)(Sa’0.9)
湿潤ステップの腐食量 A'(20℃/65%、0.4mdd、湿潤) = (20α'+β')・Pw(20, 65)(Sa’0.9)
である。
A'(13℃/95%×12h-20℃/65%×12h、0.4mdd) =(乾燥ステップの腐食量)+(湿潤ステップの腐食量)={(13α'+β')・Pw(13, 95)+(20α'+β')・Pw(20, 65)}(Sa’0.9)
=[{Pw(13, 95)*13+Pw(20, 65)*20}α'+{Pw(13, 95)+Pw(20, 65)}β'](Sa’0.9)
{Pw(13,95)*13+Pw(20,65)*20}α'+{Pw(13,95)+Pw(20,65)}β'=1
{Pw(20,95)*20+Pw(27,65)*27}α'+{Pw(20,95)+Pw(27,65)}β'=1.403
{Pw(25,95)*25+Pw(32,65)*32}α'+{Pw(25,95)+Pw(32,65)}β'=1.661
{Pw(25,95)*25+Pw(40,40)*40}α'+{Pw(25,95)+Pw(40,40)}β'=0.858
のようになる。ここで腐食量として、A値比(基準条件のA値に対する相対値)をとっている。同一付着塩分量でいくつかの試験条件について同様の方程式を立て、2元連立1次方程式を解く。数学的には2試験条件あればα'、β'が得られるが、精度を上げるために4試験条件を用いて、1 次回帰によりα'、β'を求める。得られたα'、β'を用いてA値比を求める。SMAについて得られたα'、β'を用い、全国41橋試験の暴露地の飛来塩分量、年平均温度・湿度(最寄の気象庁観測所データ)を代入して、
A'(予測値)= (α'T1+β')・Pw(T1, H1)・(Sa1 0.9)
を求め、暴露試験から得られたA値との関係を図18(B)に示す。両者の回帰式を求め、その1 次係数の比A'/A = 1.895 が得られた。Pw(T1, H1)・(Sa1 0.9)= K1
とおくと、
A'(予測値)= (α'T1+β')・Pw(T1, H1)・(Sa1 0.9)=(α'T1+β') K1
A(実測値)= (αT1+β)・Pw(T1, H1)・(Sa1 0.9)=(αT1+β)K1
任意のT1で成立するためには、
A'/A=α'/α=β'/β=1.895=k
A>0.03のとき、γ=0.9
A≦0.03のとき、γ=0.487
で分類して、試験条件に毎の方程式をたて、1 次回帰によりα'、β'を求め、以下同様ににしてA'/A=α'/α=β'/βがそれぞれ求められる。
(S11)操作者が入力装置10を操作することにより鋼種を入力すると、演算装置21はその鋼種を取り込む。この鋼種の入力に際しては、例えば鋼種の名称を直接入力させたり、或いは図5に示される鋼種を表示装置30の画面にリストしてそれを選択させるようにしてもよい。
(S12)演算装置21は、入力された鋼種に基づいて、記憶装置23に格納されている係数(α,β,γ)を検索する。
(S13)演算装置21は、操作者が入力装置10を操作して例えば橋梁架設地点の入力を促すような入力画面を表示装置30に表示させる。操作者が入力装置10を操作して橋梁架設地点を入力するとそれを取り込む。なお、橋梁架設地点の入力に際しては、住所又は緯度・経度を入力するものとする。
(S14)演算装置21は、入力された橋梁架設地点に基づいて記憶装置23に格納された気象データから、その地点又はその地点に近接した位置にある観測地の平均温度及び湿度を検索して求める。
(S16)また、「橋梁架設地点の海岸からの距離」(L)が入力され、「推定実行」の操作ボタンがクリックされることにより、選択された地点の飛来塩分量S0が求められ、更に、飛来塩分量S0と離岸距離Lとにより、Sa=S0・L-0.6という演算式によって、橋梁架設地点の飛来塩分量を求めて表示装置30に表示させる。図10の「飛来塩分量確定」の操作ボタンがクリックされると、図9の入力画面に戻って、飛来塩分量及び選択された地域がそれぞれ表示される。
(S17)図9の入力画面の「腐食量推定計算実行」の操作ボタンをクリックすることにより、演算装置21は上記の(2)式、(3)式及び(1)式を演算して腐食量Yを求める。
(S18)演算装置21は腐食量Yを求めると、それを表示装置30に表させる。
なお、上記の実施形態1においては飛来塩分量を求めるのに構造物の部位に関係なく求める例について説明したが、構造物の部位によっては飛来塩分が付着しにくい部位もあるので、構造物の部位に応じた部位係数を予め設定しておいて、その部位係数を上記の飛来塩分量に乗算して「飛来塩分量」を求めるようにしてもよい。
さらに、構造物の設置場所又はその周辺の温度(T)、相対湿度(H)のうちの少なくとも一方に関しても、構造物の部位に応じた部位係数をそれぞれ予め設定しておいて、その部位係数を上記の温度、相対湿度にそれぞれ乗算して、「温度(T)」、「相対湿度(H)」を求めるようにしてもよい。
また、構造物の架設地点における地域的特徴、例えば海浜地域、内陸平地、山岳等の地域的特徴を飛来塩分量の算出に反映させて飛来塩分量を高精度に求めるようにすると、腐食量を更に高精度に求めることができる。
また、上記の実施形態1においては、橋梁架設地点の飛来塩分量を求めるのに、日本海(北)、日本海(南)、太平洋側、瀬戸内海及び沖縄の何れを選択する例について説明したが、橋梁架設地点の住所又は緯度・経度に基づいて該当する地域を自動的に選択するようにしてもよい。
また、上述の実施形態1においては、A値を求めるのに、何れも暴露試験又は実験室での実験を1年程度行う例について説明したが、それよりも期間が短い期間の試験結果であってもよく、例えば数ケ月程度の試験結果に外挿法を適用することにより1年間分の腐食量を求めることにより(予測することにより)A値を求めることができる。
上記のようにして求められた腐食量(寿命データ)を鋼材に添付することにより、実構造の設計の際に利用に供することが可能になっている。なお、このデータの添付とは紙などだけでなく、電子データとして管理する状態も含むものである。また、鉄骨構造物の設計に際して、このような寿命予測がなされた鋼材を適宜選択して設計することにより構造物の寿命についても適切に予測することが可能になっている。
なお、図4に示された装置を携帯型パソコンにより実現したり、或いはネットワーク化して、顧客が使用しようとしている鋼材の寿命予測を行って、それを表示装置30に表示させて顧客に提示し、顧客の購入を促すことも可能である。
Claims (15)
- 鋼材の腐食量予測式Y=AXB(Y:腐食量、X:年数、A,B:材料と環境に依存する係数、べき数)を用いて鋼材の寿命を予測する方法において、
前記係数Aを、鋼種に応じて予め設定された係数(α,β,γ)と、前記鋼材を用いる構造物の設置環境に依存した環境データ(T,PWまたはTOW,Sa)とに基づいて求め、前記べき数係数Bを前記係数Aの関数として求め、前記Bを、0.5≦B≦1.1の範囲で設定することを特徴とする鋼材の寿命予測方法。ただし、T:温度(℃)、PW:濡れ確率、Sa:飛来塩分量(mdd)、TOW:年間漏れ時間(h)である。 - 前記A及びBを次式より求めることを特徴とする請求項1記載の鋼材の寿命予測方法。
A=(α・T+β)・PW(T,H)・(Sa γ)
T:温度(℃),H:相対湿度(%),Sa:飛来塩分量(mdd)
PW(T,H):濡れ確率、
α、β、γ:鋼種に応じて設定された係数
B=f(A)、ただし、f(A)はAの関数であることを示す。 - 前記A及びBを次式より求めることを特徴とする請求項1記載の鋼材の寿命予測方法。
A=k(α・T+β)・TOW・(Sa γ)
T:温度(℃),Sa:飛来塩分量(mdd)
TOW:年間濡れ時間(h)、k:係数
α、β、γ:鋼種に応じて設定された係数
B=f(A)、ただし、f(A)はAの関数であることを示す。 - 前記Bを、
A<0.083のとき、B=−4611.3A3+769.19A2−32.421A+1.0109
0.083≦Aのとき、B=0.9〜1.1
に設定することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の鋼材の寿命予測方法。 - 前記Bを、
A≦0.03のとき、B=0.5〜0.7、
0.03<A<0.083のとき、B=−4611.3A3+769.19A2−32.421A+1.0109
0.083≦Aのとき、B=0.9〜1.1
に設定することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の鋼材の寿命予測方法。 - 鋼種を入力手段を介して入力する工程と、
前記鋼種に対応した前記係数(α、β、γ)を特定する工程と、
構造物を設置する場所についての情報を入力手段を介して入力する工程と、
前記構造物の設置場所又はその周辺の温度(T)及び相対湿度(H)を求める工程と、
前記の温度(T)及び相対湿度(H)に基づいて濡れ確率(PW)を求める工程と、
前記構造物の設置場所の離岸距離を入力手段を介して入力する工程と、
前記構造物の設置場所を含む領域又はその周辺の領域において予め計測されて設定されている飛来塩分量及び前記離岸距離に基づいて前記構造物の設置場所の飛来塩分量(Sa)を求める工程と
を有することを特徴とする請求項2、4又は5記載の鋼材の寿命予測方法。 - 鋼種を入力手段を介して入力する工程と、
前記鋼種に対応した前記係数(α、β、γ)を特定する工程と、
構造物を設置する場所についての情報を入力手段を介して入力する工程と、
前記構造物の設置場所又はその周辺の温度(T)及び相対湿度(H)を求める工程と、
前記の温度(T)及び相対湿度(H)に基づいて年間濡れ時間(TOW)を求める工程と、
前記構造物の設置場所の離岸距離を入力手段を介して入力する工程と、
前記構造物の設置場所を含む領域又はその周辺の領域において予め計測されて設定されている飛来塩分量及び前記離岸距離に基づいて前記構造物の設置場所の飛来塩分量(Sa)を求める工程と
を有することを特徴とする請求項3、4又は5記載の鋼材の寿命予測方法。 - 前記構造物の設置場所を含む領域又はその周辺の領域を、前記構造物の設置場所の入力とは別に、入力手段を介して入力する工程を更に有することを特徴とする請求項6又は7記載の鋼材の寿命予測方法。
- 前記構造物の設置場所の飛来塩分(Sa)に構造物の部位に対応した部位係数を乗算して、その乗算結果を前記飛来塩分(Sa)とすることを特徴とする請求項6又は7記載の鋼材の寿命予測方法。
- 鋼材の腐食量予測式Y=AXB(Y:腐食量、X:年数、A,B:材料と環境に依存する係数、べき数)を用いて鋼材の寿命を予測する装置において、
鋼種、前記鋼材を用いる構造物の設置場所及び構造物の設置場所の離岸距離をそれぞれ取り込む入力手段と、
鋼材の鋼種に対応した係数(α、β、γ)、各地域の温度(T)及び相対湿度(H)、及び特定地域の飛来塩分量がそれぞれ格納された記憶手段と、
前記入力手段を介して入力された情報と、前記記憶手段に格納されたデータとに基づいて前記係数A及び前記べき係数Bを求め、更に前記係数A及び前記べき係数Bに基づいて前記腐食量Yを求める演算手段と
を備えたことを特徴とする鋼材の寿命予測装置。 - 前記演算手段は、前記A及びBを次式により求めることを特徴とする請求項10記載の鋼材の寿命予測装置。
A=(α・T+β)・PW(T,H)・(Sa γ)
T:温度(℃),H:相対湿度(%),Sa:飛来塩分量(mdd)
PW(T,H):濡れ確率、
α、β、γ:鋼種に応じて設定された係数
B=f(A)、ただし、f(A)はAの関数であることを示す。 - 前記演算手段は、前記A及びBを次式により求めることを特徴とする請求項10記載の鋼材の寿命予測装置。
A=(α・T+β)・TOW・(Sa γ)
T:温度(℃),Sa:飛来塩分量(mdd)
TOW:年間濡れ時間(h)、
α、β、γ:鋼種に応じて設定された係数
B=f(A)、ただし、f(A)はAの関数であることを示す。 - 前記演算手段は、上記の腐食量の予測値の精度を、予測値に付帯して表示装置に表示させることを特徴とする請求項10〜12の何れかに記載の鋼材の寿命予測装置。
- 請求項1〜5記載の何れかに記載の鋼材の寿命予測方法における演算処理をコンピュータにより実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
- 請求項10〜13の何れかに記載の鋼材の寿命予測装置の演算手段をコンピュータにより実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
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