JP4949598B2 - 既存の金属構造体の補強方法、パイプ補強方法、パイプラインに対するスプールラインの付設方法 - Google Patents
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Description
本発明は、既存の金属構造体、特に大型の既存の構造体の既存の金属パネルを補強および/または修復および/または回復させる方法に関する。特に、この方法は、使用中に腐食および/または摩耗により厚さが減り、したがって、交換もしくは補強しなければならない金属パネルを補強および/または修復することに関する。
【0002】
ローロー(Ro−Ro)(または、ローパックス(Ro−Pax))フェリーのデッキプレートに使用される金属パネルは、1年に0.1mmから0.3mmの範囲の割合、一般的には1年に0.15mmの割合で、腐食および摩耗する。ロイドのレジスタ(Lloyd’s Register)等の船級協会の規則および規定によれば、プレートは、厚さが初期の厚さの30%減少すると機械的な特性が著しく減少することから交換しなければならない。プレート交換要件、および、一般的な船舶の部分および構造要素における初期のプレート厚さの関数として表わされる対応する減少プレート厚は、“船舶の等級分けに関するLloyd’s Register規則・規定にしたがう船舶の厚さ測定および検査−改訂2 1997年1月(Thickness Measurement and Close−up Survey of Ships in Accordance with Lloyd’s Register Rules and Regulations for the Classification of Ships−Revision 2,January 1997)”と題するLloyd’s Register技術文献に明記されている。弾性領域の弾性率および慣性モーメントの減少により、応力および歪みが限界値を超える。また、船舶の他の領域のプレートも、その減少した厚さが船級協会によって特定された値に達する場合には、交換しなければならない。
【0003】
現在のやり方では、船舶の寿命を延ばすために、デッキプレートを取り外して交換する必要がある。この従来の方法では、大規模な作業が必要であり、主要な硬化材の交換、配管およびケーブルの取り外し、デッキパネルの裏面からの耐火材料等の除去、足場作り、大規模な溶接を伴う。それは、一般に、非常に多くの費用と時間を要するとともに、溶接を原位置で行なうことが難しいため溶接部に疲労し易い割れ目をもたらすことさえあり得る。
【0004】
本発明の目的は、補強部材および他の細部を取り外す必要なしに、強化金属プレートを構造的に補強もしくは修復する方法を提供することである。
【0005】
本発明は、既存の金属構造体のパネルを補強する方法であって、前記パネル上に離間した状態で補強金属層を設けることにより、前記パネルの内面と前記補強金属層の内面との間に少なくとも1つの空洞を形成するステップと、未硬化プラスチック材料を含む中間層を前記少なくとも1つの空洞内に注入するステップと、前記プラスチック材料を硬化させることにより、前記パネルと前記補強金属層との間に剪断力を伝えることができる十分な強度をもって前記プラスチック材料を前記パネルの前記内面および前記補強金属層の前記内面に対して固着させるステップと、を備えている方法を提供する。
【0006】
以下に説明する方法によれば、その耐用年数に達した既存の構造体の金属パネルを、取り外すことなく且つ少ない準備で有利に補強することができる。これにより、修復中における構造体のためのオフライン時間が短くなる。その結果として得られる補強された構造体は、古いパネルを新しいパネルに交換する場合よりも僅かに重くなるにすぎない。この方法によれば、乾ドックを必要とすることなく、船体を修復することができる。補強により、固有のダンピング(damping)性および遮音性が得られる。プラスチック材料は、簡単に硬化可能な自己硬化性のものであっても良く、あるいは、加熱して硬化する熱硬化性のものであっても良い。
【0007】
無論、古いか新しいかにかかわらず、任意の既存の構造体のパネルに本発明を適用して、パネルを所望のごとく改善し、保護し或は補強することができる。
【0008】
本発明を使用することによって得られる構造体は、米国特許第5,778,813、英国特許出願GB−A−2337022、英国特許出願第9926333.7号のそれと同様である。これらの文献に開示された材料および技術は、本発明の実施において使用することができ、本発明にしたがって構成される構造体は、ここに開示された利点および利益を享受することができる。
【0009】
以下、純粋に参照のためのみの図面により、本発明の一実施形態を説明する。
[発明の詳細な説明]
図中、同じ部品は同じ参照符号で示されている。
【0010】
図1は、本発明に係る方法によって補強されたローローフェリーのデッキの断面図である。オリジナルデッキを形成する金属パネル10は、梁12および球平形鋼17によって支持されている。様々なパイプ・ケーブル14と耐火材料15とが金属パネル10の裏面に取り付けられている。
【0011】
金属パネル10は原厚Aを有しており、この原厚Aは、例えばローローフェリーのデッキにおいては、一般に10mmから20mmの範囲である。一般に、金属パネル10の厚さは、腐食および/または摩耗により、毎年約0.15mmずつ減少する。このような状況下では、約20年使用した後、金属パネル10を交換もしくは補強する必要がある。
【0012】
本発明の補強方法では、既存の構造体の金属パネル10に対して補強金属層20が取り付けられる。金属層20は、金属パネル10から離間して配置されることにより、金属パネル10との間に空洞40を形成する。その後、非硬化プラスチック材料から成る中間コア層が空洞40内に射出すなわち注入される。プラスチック材料が硬化される(中間コア層は、硬化処理が不要な自己硬化プラスチック材料であっても良く、あるいは、例えば加熱して硬化させる必要があるプラスチック材料であっても良い)と、プラスチック材料は、金属パネル10と補強層20との間で剪断負荷を伝えることができる十分な強度をもって、金属パネル10の内面18および補強金属層20の内面22に固着し、これにより、それ自体の重量よりも十分大きな負荷に耐えることができる複合構造部材が形成される。一般的には、プラスチック材料を注入する前に、全ての溶接が完了する。
【0013】
図1に示される実施形態においては、金属パネル10と補強金属層20との間に複数のスペーサ30が設けられている。これらのスペーサ30は、任意の断面すなわち形状を有していても良いが、隣接する端面34によって金属パネル10の内面18に取り付けられる際には、一般に、同じ量だけ金属パネル10の上側に突出する。この距離は、空洞により異なっていても良く、あるいは、用途に応じて、空洞にわたって異なっていても良い。その後、補強金属層20がスペーサ30の他端32に取り付けられることにより、空洞40が形成される。このようにすれば、本発明の方法を、変形したパネルすなわち湾曲したパネルに対しても実施することができる。このような補強により、補強側に滑らかな面が形成される。このことは、ローローフェリーにとって特に理想的である。なぜなら、車両のための滑らかな載置面が形成されるからである。
【0014】
スペーサ30は金属によって形成されていることが好ましく、そのようにすれば、自然なプレートの継ぎ目に沿った突合わせ溶接36を使用することにより、オリジナルの金属パネル10および補強金属層20に対してスペーサ30を溶接する(連続隅肉溶接35を使用して)ことができる。スペーサ30をうまく使用して、金属パネル10と補強金属層20との間の空洞40を、プラスチック材料を内部に注入できるサイズの複数の小さな空洞に分割しても良い。
【0015】
本発明を適用できる船舶100の構造が図3に示されている。この船舶は、内側外板101および外側外板102と、内側船底103および外側船底104とを有する二重船体構造を成している。横隔壁105も図示されており、また、デッキが参照符号106で示されている。ビルジが参照符号107で示され、舷縁(gunwhale)が参照符号108で示されるとともに、ウェブフレームが参照符号109で示されている。本発明は、船舶におけるこれらの任意の部品に適用しても良く、無論、他の部品や単一船体構造を含む他の船舶に適用しても良い。
【0016】
既存の金属パネルを用意して、スペーサ30と既存の金属パネル10とをうまく接合する方法のうち、出願人が現在知っている最良の方法は、金属パネル10の内面18にショットブラスト処理またはグリットブラスト処理を施すことである。しかしながら、必要な表面粗さ及びプラスチック材料の接合に適した錆びのない塗装面を与える他の方法を使用することもできる。理想的には、埃、塵、油、水が内面18にあってはならない。
【0017】
中間層コア40は、補強が使用される環境において予想される最大の温度で、少なくとも250MPaの弾性係数Eを有していることが好ましく、275MPaの弾性係数Eを有していることが更に好ましい。造船の用途においては、この予想される最大の温度が100℃であってもよい。
【0018】
引裂強さ、圧縮強度、引張り強さ、伸びは、衝撃などの異常負荷時に補強パネルがエネルギを吸収することができる最大の大きさにしなければならない。特に、プラスチック材料の圧縮強度および引張り強度は、少なくとも2MPaでなければならず、20MPaであることが好ましい。無論、圧縮強度および引張り強度をこれらの最小値よりもかなり大きくすることもできる。
【0019】
最低稼働温度でのプラスチック材料の延性は、金属パネルまたは金属層の延性よりも大きくなければならない。最低稼働温度でのプラスチック材料の延性の好ましい値は50%である。また、プラスチック材料の熱膨張係数および熱収縮係数を金属パネル10および金属層20のそれに十分近くして、予想される稼働範囲にわたる温度変化および溶接中の温度変化によって層間剥離が生じないようにしなければならない。2つの材料の熱膨張係数または熱収縮係数を異ならせることができる度合いは、ある程度は、プラスチックの弾性によって決まるが、プラスチック材料の熱膨張係数および熱収縮係数は金属層のそれの約10倍であると考えられる。プラスチック材料にフィラーを添加することにより、熱膨張係数を制御しても良い。
【0020】
プラスチック材料と金属パネルおよび金属層の内面18、22との間の結合強度は、稼働範囲全体にわたって、少なくとも0.5MPaでなければならず、6MPaであることが好ましい。これは、金属に対するプラスチック材料の固有の接着性によって達成されることが好ましいが、別個の接着材を与えても良い。
【0021】
金属パネル10が船体の一部である場合(図3に概略的に示されるように)の別の要件は、予想される負の静水圧に耐えるとともに、金属接合部での層間剥離力に耐えることができる十分大きな引張り結合強度を界面にわたって有していなければならないということである。プラスチック材料は、海水および淡水の両方に対して加水分解的に安定でなければならず、また、部材がオイルタンカーで使用される場合には、油に対して耐化学性を有していなければならない。
【0022】
プラスチック材料がエラストマーであっても良く、また、補強金属層20は、スチール、ステンレススチール、アルミニウム合金、あるいは、標準的な建造慣習に関連する他の任意の典型的な金属であっても良い。したがって、エラストマーは、基本的に、イソシアン酸塩またはジイソシアン酸塩、拡張鎖、フィラーと共に、ポリオール(例えば、ポリエステルまたはポリエーテル)を含んでいる。フィラーは、中間層の熱係数を小さくしてそのコストを低減するとともに、エラストマーの物理的な特性を制御するため、必要に応じて設けられる。例えば、機械的な特性や他の特性(例えば、接着力、耐水性、耐油性)を変えるために、他の添加物および難燃剤を含有させても良い。
【0023】
注入ポートのサイズおよび注入ポートの位置は、プラスチック材料要素を注入するために利用できる装置、および、空洞の方向性によって決まる。一般に、空洞毎に1つの注入ポートが設けられる。ポートは、補強層20または金属パネル10に配置されても良く、飛び散りを最小限に抑えられ或は排除できるように配置されなければならない。注入ポートは、理想的には、成形後に研磨されない、逆止弁をできれば有する急速継手ポート(quick disconnect ports)である。また、注入ポートは、成形後に平らに研磨されるプラグでシールされても良い。
【0024】
複数の各空洞には、空洞内の全ての空気を逃がして空きスペースを残さないようにすることができる通気孔が配置されている。通気孔は、充填後にプラグを挿入できるようにネジ切り穿孔されても良く、あるいは、弁や充填後に閉じる他の機械的な装置を有していても良い。通気孔および任意のプラグまたは弁は、プラスチック材料が硬化された後、平らに研磨されても良い。
【0025】
注入ポートまたは通気孔に挿入されるプラグは、金属層20に適合する電気特性を有する材料によって形成されていなければならない。金属層20がスチールである場合、プラグは真鍮であっても良い。通気孔または注入ポート用の金属プラグは、必要に応じて温度制御される圧力逃がし弁としての役割を果たしても良い。
【0026】
隆起を引き起こし且つプレート厚を不均一にする背圧を全く生じさせることなく、空洞に均一に充填でき、しかも、寸法精度(コアの厚さ)を特定の限界の範囲内に維持できるように、注入プロセスを監視しなければならない。
【0027】
製造後であって補強寿命の間、エラストマーが金属層に対して正確に接着されたかを確かめる必要があるかもしれない。このような確認は、音響技術、超音波またはX線技術を使用して、あるいは、他の任意の適当な較正技術によって行なうことができる。
【0028】
このようにすれば、既存の構造体の金属パネル10を取り除くことなく、また、支持梁12、パイプまたはケーブル14、耐火材等の構成部品を裏面18から取り外すことなく、既存の構造体の金属パネル10を補強することができる。
【0029】
補強金属層20がスペーサ30に取り付けられる前に、平坦平行端面を有する任意の所定形状の金属またはエラストマー支持部材50が、スペーサ30間における金属パネル10の内面18上に配置され、または内面18に対して取り付けられても良い。これらの支持部材50は、補強金属層20を支持して、寸法精度(エラストマーの厚さ及び補強金属層の平面度)を確保する。
【0030】
図2は、本発明において使用できる一般的なスペーサ30および支持部材50の平面図を示している。スペーサ30は、互いに簡単に接合でき且つエラストマーの注入に適した寸法を有する空洞を形成できるように、断面が矩形であることが最も好ましい。スペーサ30の平坦面32は、補強金属層20のための理想的な載置面および突合わせ溶接部すなわちプレート継ぎ目36を形成するための理想的な載置面を与える。
【0031】
補強金属層20の厚さBは、1mmよりも大きいことが好ましいが、必要な構造的特性を与えることができ且つ組み立て、取り扱い、溶接が容易であれば、任意の厚さ、例えば6mmであっても良い。厚さが3mmであると、更に10年使用しても、それ単独で、既存の金属パネル10と構造的に同等もしくはそれよりも良好にデッキプレートを維持することができる。プラスチック材料の厚さCは、10mmから25mmが最適であるが、用途や構造的な要件に応じてこれより厚くても良い。例えば、ばら積み貨物船のタンクトップ(tank top)の場合、平均的なコア厚さが100mm厚であっても良い。
【0032】
寸法Bが3mmで、寸法Cが15mmで、平面寸法が140m×19mであるデッキのオーバーレイ全体(一般的なローローフェリーのデッキ)は、重量的には、ほぼ1台の大型トラックに相当する。このようなデッキであれば、最低でも、あと10年フェリーを使用することができる。このように補強されたデッキは、死荷重が2.2kN/m2である12.5mm厚のオリジナルデッキと比べて、約2.5kN/m2の死荷重を有する。
【0033】
図4は、ラッシングポットを取り囲むデッキに対する本発明の方法の適用形態を示している。このようなケースでは(および、例えばハッチカバーで、既存のパネル10が金属部材と直角に或は直角に近い角度で当接していない状況においては)、スペーサ30を使用して、空洞40と補強された構造体の外側との間に側壁を形成しても良い。その後、隅肉溶接35を使用して、スペーサ30を既存のパネル10およびラッシングポットに対して取り付けるとともに、補強層20をスペーサ30に取り付けることができる。
【0034】
図5は、既存のパネルに対する補強層20の他の配置形態を示している。図示の方法において、補強層は、既存の支持部材12(例えば、縦桁および横梁)および補強部材17と同じ側において、既存の補強されるプレートパネルに対して離間して取り付けられている。この実施形態によれば、補強される船体と、外板表面が流体(海水、油など)に隣接する側面構造部とを補強することができる。これと同じ補強方法を、他の内側の補強されるプレートに適用できれば適用して、耐用年数を延ばしたり、積載量および衝撃耐性を大きくしても良い。
【0035】
図6に示される例において、補強パネルは、突合わせ溶接36を使用して、既存の補強部材17の隣接する下端19上に直接に溶接される。このような構成においては、空洞の深さが大きいため、空洞内に発泡体60を配置して、補強材の全重量を軽くすることが有益である。図6には明確に示されていないが、空間すなわちパネル10と補強層20との間の空洞には、英国特許出願第9926333.7に開示されているように供給施設(配管やケーブル)が収容されても良い。
【0036】
図7aは、既存の構造体に対する補強金属層20の他の配置形態を示している。図示の実施形態において、補強金属層20は、既存の支持構造体17と同じ側において、既存の補強されるプレートパネルに対して離間して取り付けられる。補強層20は、既存の金属パネル10と補強金属層20との間に球平形鋼が位置されるように、球平形鋼の周囲で折り曲げられている。図7aに示される実施形態において、補強金属層20はスペーサ31に溶接されており、スペーサ31は、金属パネル10に取り付けられる球平形鋼17の表面と反対側の球平形鋼17の表面に対して溶接されている。スペーサは、未硬化のプラスチック材料を球平形鋼17の周囲に自由に流すことができるように、あるいは、1または複数の球平形鋼を含む限られた容積の空洞を形成するために、途切れていても良く、あるいは、連続していても良い。図7bは、補強金属パネル20を球平形鋼17に対して取り付けるためにスペーサ31を使用しない実施形態を示している。図7bの実施形態にも示されるように、補強金属層20を接合するプレート継ぎ目は、球平形鋼17のフランジの長さに沿って、各球平形鋼に形成されている。図7cに示される実施形態は、図7aおよび図7bに示される補強金属層20と球平形鋼17との取付け方法と同じ方法で、アングル補強材に取り付けられた、あるいは、極端な場合には、横梁または縦桁12に取り付けられた金属層20を示している。図7に示される全ての実施形態において、補強金属層20は、金属層20が他の位置にある金属パネル10からの距離よりも梁12や球平形鋼17の付近にある金属パネル10からの距離が遠くなるように、曲げられている。金属層20は、任意の形状(例えば、曲面、平面など)で折り曲げられても良く、また、例えば各球平形鋼17間に1枚ずつある複数のパネルであっても良く、あるいは、連続シートであっても良い。図7に示される実施形態の利点は、補強金属層20によって内面が単純化されて、良質のコーティングを施すことが容易になるとともに、補強金属層20によって補強材とプレートとの溶接接続部での局所的なプレートの曲げが少なくなり、接合溶接部が疲労亀裂する可能性を低減でき、また、補強金属層20によって更なる補強が成され、損傷する可能性がある既存の補強材を安定化させたり補強したりすることができるという点である。
【0037】
全ての実施形態において、中間層40は、空洞を完全に充填させるために必要な数の場所で、金属パネル10または補強金属層20のいずれかを通じて注入されても良い。
【0038】
図7に示される実施形態は、理想的には、図1に示されるように金属層の適用を妨げるデッキ結合金具、配管、ハッチ等といった著しい数の障害物が金属パネル10の外面上に存在する構造体に適している。また、この実施形態は、補強材が局所的に過負荷を受けて損傷する(座屈または曲げ)構造体に適用することもできる。
【0039】
更に他の実施形態においては、既存の補強材が切断されてその長さが短くされるとともに、スタブ(stub)が残され、補強材の切り株から離間した状態で、補強層が既存のパネルに取り付けられる。このような構成では、中間層をより厚くして、必要な剛性を与えなければならない。この実施形態は、補強材が変形もしくは破損したり、あるいは、補強材とプレートとの間に存在する溶接部が破損したりした場合において有用である。
【0040】
全ての実施形態においては、補強層を取り付ける前に、補強材の溶接割れを修理するとともに、他のメンテナンス作業を行なっても良い。
【0041】
以上、ローローフェリーのデッキに関して本発明を説明してきたが、本発明は、他の用途、特に、高い面内負荷および横向き荷重、例えば桁違い(slamming)の負荷が予想されるような場合や、高い断裂強度、疲労強度、亀裂生長に対する高い耐性が望まれる場合にも有用である。そのような構造体の例は、トンネルライニング、垂直向性の船橋楼甲板、貨物倉、ばら積み貨物船のタンクトップ、船体、外側の船体構造、沖合い構造物、特にヘリコプター、スタジアムの屋根、格納容器である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る方法を使用して金属パネルの上側が補強された、既存の構造体の金属パネルの断面図である。
【図2】 本発明の方法を使用した補強中における既存の構造体の金属パネルの平面図である。
【図3】 本発明を適用できる典型的な船舶の横断面図である。
【図4】 本発明に係る方法を使用して補強され且つラッシングポットを取り囲む既存の構造体の金属パネルの断面図である。
【図5】 本発明に係る方法を使用して金属パネルの内側が補強された、既存の構造体の金属パネルの断面図である。
【図6】 本発明に係る方法を使用して金属パネルの内側が補強されることにより複合構造積層板が形成された、既存の構造体の金属パネルの断面図である。
【図7a】 本発明に係る方法を使用して補強され且つ金属パネルの支持部材(補強材)を補強金属層が取り囲んでいる、既存の構造体の金属パネルの断面図である。
【図7b】 本発明に係る方法を使用して補強され且つ金属パネルの支持部材(補強材)を補強金属層が取り囲んでいる、既存の構造体の金属パネルの断面図である。
【図7c】 本発明に係る方法を使用して補強され且つ金属パネルの支持部材(補強材)を補強金属層が取り囲んでいる、既存の構造体の金属パネルの断面図である。
Claims (16)
- 既存の金属構造体のパネルを補強する方法であって、
前記パネル上に離間した状態で補強金属層を設けることにより、前記パネルの内面と前記補強金属層の内面との間に少なくとも1つの空洞を形成するステップと、
未硬化プラスチック材料から成る中間層を前記少なくとも1つの空洞内に注入するステップと、
前記プラスチック材料を硬化させることにより、前記パネルと前記補強金属層との間に剪断力を伝えることができる十分な強度をもって前記プラスチック材料を前記パネルの前記内面および前記補強金属層の前記内面に対して固着させるステップと、を備えている、方法。 - 補強金属層を設ける前記ステップは、
前記パネルの前記内面にスペーサの一端を固着させるステップと、
前記補強金属層の前記内面を前記スペーサの他端に固着させるステップと、を備えている、請求項1に記載の方法。 - 前記スペーサが金属製であり、前記固着ステップが溶接を含む、請求項2に記載の方法。
- 前記スペーサは、プレートスペーサ、プラスチックから成るスペーサ、埋込型車両固縛金物のつば、または、裏当て棒材である、請求項2または3に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの空洞内には、前記パネルの前記内面および前記補強金属層の前記内面と接触した状態で支持部材が配置されている、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 補強金属層を設ける前記ステップの前に、前記金属構造体の前記内面がショットブラスト処理もしくはグリットブラスト処理されて洗浄される、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記補強金属層の厚さが20mmよりも小さい、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記中間層の厚さが少なくとも10mmである、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プラスチック材料がエラストマーである、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記既存の金属構造体のパネルは、トンネルライニング、船橋楼甲板、貨物倉、船体、船舶のデッキ、隔壁、外部船体構造、格納容器、建造物、沖合い構造物、または、このような既存の構造体の金属小部分のパネルである、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属パネルは、梁、桁、または、球平形鋼によって支持され、前記補強金属層は、前記梁、桁、または、球平形鋼が前記金属パネルと前記補強金属層との間に位置されるように配置されている、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記補強金属層は、前記補強金属層が他の位置にある前記金属パネルからの距離よりも前記梁や球平形鋼の付近にある前記金属パネルからの距離が遠くなるように曲げられている、請求項11に記載の方法。
- 前記補強金属層は、前記金属パネルに取り付けられる前記梁または球平形鋼の面とは反対側の梁または球平形鋼の面に対して取り付けられている、請求項11または12に記載の方法。
- 前記補強金属層は、スペーサを介して、前記梁または球平形鋼に取り付けられている、請求項13に記載の方法。
- 請求項1から14のいずれか一項に記載の方法を使用して補強される、既存のパネルを有する船舶。
- 請求項1から14のいずれか一項に記載された補強方法によって製造される、補強された金属構造体。
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