JP5313446B2 - 熱間圧延されたストレートウェブのスチール製シートパイル - Google Patents

Description

本発明は、特にセル状コファダムを構築するための熱間圧延されたストレートウェブのスチール製シートパイルに関する。

以下、簡単にストレートシートパイルとも称す最初の熱間圧延されたストレートウェブのスチール製シートパイルは、既に１９世紀の終わりに米国で使用されていた。欧州では２０世紀の３０年代から、これらシートパイルが圧延されていた。これらパイルは、ストレートウェブを含み、このストレートウェブは壁軸に置かれ、各長手方向の側面はインターロック（連結）ストリップによって構成されている。個々のストレートシートパイルはこれらインターロックストリップにより連続したシートパイル壁となるように接続できる。

これらストレートシートパイルは内部を係止することなく、セル状のコファダムを構築するのに特に使用される。セルの形状に応じて円形またはストレートセル状コファダムの違いがある。米国では、これらストレートシートパイルは、いわゆるオープンセルの構築のためにも使用されている（例えば米国特許第6,715,964号参照）。充填および水の過剰圧力から生じる負荷により、ストレートシートパイルは水平の壁軸方向の引張応力だけを受けるよう、オープンセルおよびクローズセルが設計されている。

かかるセル状コファダムのためのストレートシートパイルの寸法を定めるにあたり、応力（例えばボイラー公式により決定されるリング引張応力）とシートパイルの抵抗力とを比較する。ＥＮ１９９３−５に従えば、後者のシートパイルの抵抗力はインターロック部内の欠陥およびウェブ内のクリープ（すなわち塑性変形）から生じる最小値として得られる。

しかしながらこの場合、メーカーは伝統的に次の条件が満たされるようにウェブのスチールの質を選択している。

ここで、
ｆ_ｙ＝公称降伏点、
ｔ＝ウェブの厚み、
Ｒ＝メーカーが保証するインターロック部の最小引張強度（例えばＲ＝５５００ｋＮ／ｍ）、
Ｓ_１＝ウェブ内のクリープに対する安全係数、
Ｓ_２＝インターロック部内の欠陥に対する安全係数、
これら安全係数は、２つのタイプの欠陥に対して異なる。例えば
（ウェブ内のクリープに対して）Ｓ_１＝１.０
（インターロック部内の欠陥に対して）Ｓ_２＝１.２５

上記条件（１）を満たせば、ストレートシートパイルにかかる引張負荷では、ウェブ内のクリープが決して重要とはならないことが保証される。すなわちメーカーが保証するインターロック部の最低引張強度Ｒだけを満たせばよい。この結果、ストレートシートパイル接続部の欠陥がほとんど常にインターロック接続部を破壊開口させる原因となっている。

コファダムセルのセル壁におけるインターロック接続部の破壊開口によってリング引張力の中心に不連続点が生じる。これによってセルの壁内にギャップが生じ、このギャップは大きくなり、コファダムセルを満たしている土壌が流出することになる。しかしながら、十分な土壌を充填していなければ、コファダムセルは水の過剰圧力から生じる負荷に耐えることができず、この結果、必ずコファダムが故障することになる。

ほとんど全てのストレートシートパイルは、サムアンドフィンガータイプの対称的なインターロックストリップを有しており、このインターロックストリップは１８０度だけ回転し、互いにフック係止している。２つのインターロックストリップが一体にロックされている場合、２つのサムは、一方が他方の後方に係合し、フィンガーは反対のインターロックストリップのサムをそれぞれ囲む（図１参照）。引張応力を受けるサムの引き裂きに起因するか、または曲げ応力を受けるフィンガーの開口または破壊に起因して、かかるインターロック接続部の故障が生じる。

ストレートシートパイルの全てのメーカーは、コスト上の理由から自らの標準的出荷範囲内では、基本的にはウェブの厚みが互いに異なる３〜４種類のストレートシートパイルしか製造していない。一般的には、かかるストレートシートパイルではウェブの厚みは、１１〜１３ｍｍとなっている。スチールの質を選択することによってウェブのインターロック部の最低引張強度が決定され、一般に２０００〜４０００ｋＮ／ｍの値が保証されている。新しい高強度スチール、例えばスチールＳ４６０ＧＰによれば、５５００ｋＮ／ｍの最低のインターロック引張強度さえも保証できる。スチールの質を高めると、ウェブ内の降伏ポイントも高まるので、常に条件（１）が満たされた状態のままになることが保証される。更にこれに関連し、一般的にはより厚いウェブを有するストレートシートパイルでは、インターロック部の最低引張強度がより大きくなることも理解できよう。その理由は、より厚いウェブを圧延する間、インターロック部の引張強度に対して重要であるインターロック部の部品もより厚く圧延できるからである。

標準出荷プログラムからのストレートシートパイルでは、建築プロジェクトに必要な最低のインターロック部の引張強度をメーカーが時々達成できないことが起こる。しかしながら、コストの理由から、メーカーは個々の建築プロジェクトのための特殊ウェブを圧延する準備はほとんどできない。かかる状況では、標準出荷プログラムからのウェブのインターロック部の最低引張強度を高めるために、現在の較正値からスタートし、圧延作業中にキャリバーを開けること、すなわち上下ロールの間で設定されるギャップを若干広くするということが知られている。この結果、ウェブは若干厚くなるだけでなく、インターロック部の引張強度に重要なインターロック部の部分もより強力な構造となり、従って、抵抗力をより大きくすることができる。例えば、日本特許第JP55138511号にはかかる方法が記載されている。この方法は、条件（１）を満たしたままにできることに留意すべきである。

インターロック部の引張強度を高めるために、同じようにインターロック部のストリップの幾何学的形状を変えることがこれまで提案されている（例えば日本特許第JP56020227号を参照）。しかしながら、この目的のためにはメーカーは新しい圧延機に投資をしなければならない。更にメーカーは、自らの出荷プログラムにストレートシートパイルのための２つの異なるインターロックのタイプを加えなければならなくなる。このことは、正確には輸送を簡略化しない。従って、双方の理由からストレートシートパイルのメーカーはかかるやり方に従うことはほとんどない。

特別なコファダムでは、ストレートシートパイルは大きいダイナミックな負荷にもさらされることが、長い間知られている。セルの壁は、例えば船舶の衝突、春の大潮および嵐の波が生じた場合の大重量の漂流物の衝撃にさらされる。更に、コファダムは地震地帯にも構築される。かかるダイナミックな負荷が加わる状況に対し、ストレートシートパイルはこれまでとは完全に異なる方法で実際に設計しなければならない。従って、例えばストレートシートパイルはインターロック接続部の故障が生じる前に、これまでよりも実質的に大きい変形エネルギーを吸収できるように保証しなければならない。しかしながら、かかる完全に新しいストレートシートパイルを製造するには多大な投資が必要であるので、どのメーカーもこれまで特に上記ダイナミックな負荷状況に対して設計されたストレートシートパイルを市販していない。

本発明は、ダイナミックな応力を吸収するのに実質的により適すように、極めて低い経費でメーカーの標準的出荷レンジからストレートシートパイルを変更できるという驚くべき見解に基づくものである。

本発明によれば、前記目的は、３０〜１００ｍｍである幅Ｂと一定の厚さｔとを有する中心部分を含む、圧延加工されたテーパ部を備え、前記厚みｔは前記ウエブの最低厚みであり、ウエブが圧延加工されたテーパ部を有し、インターロックストリップにより接続された２個のシートパイルの引張試験において、インターロック接続部が破壊する前に、前記テーパ部において塑性変形するように設計することによって達成される。標準的なプログラムのストレートシートパイルを圧延するのに使用される、わずかに変更しただけの組のロールにより、すなわち新しいロールスタンドに多大な投資をすることなく、テーパをウェブに圧延するだけでストレートシートパイルを製造でき、このストレートシートパイルは公知のストレートシートパイルと対照的に、シートパイル壁において顕著な塑性加工容量を有することが理解されよう。このような顕著な塑性加工能力により、本発明に係わるストレートシートパイルによって建築されたシートパイル壁は、ダイナミックな応力を吸収するのに実質的により適し、特に、例えば次のような危険性、船舶の衝突、嵐の波および春季の大潮の間の大重量の漂流物の衝撃、および地震にさらされるコファダムにおいて特に有利に使用できる。セルの壁では、本発明に係わるシートパイルのウェブは、インターロック接続部の破壊開口を生じることなく、かかる負荷の元で大きな変形エネルギーを吸収できる。

所望する効果を達成するには、インターロックストリップの保証される最低引張強度の９０％未満の公称破損荷重を有するようにウェブを設計することが好ましい。インターロックストリップにより接続された２個のシートパイルの引張試験において、ウェブに対し、シートパイルの全幅の少なくとも１％の長さの塑性変形が測定されるのが好ましい。

テーパ部は双方のインターロックストリップから同じ距離になるように、ウエブの中心線に対して対称となるように設計することが好ましい。幅Ｂは、ウエブの全幅Ｗｎｏ５％〜８０％の間になることが好ましい。

ウェブは、インターロックストリップの接続領域において最大の厚みを有することが好ましく、例えば各インターロックストリップに沿って幅ｂ_０および一定の厚みｔ_０を有する部分を有することが好ましく、ここで、ｔ_０は、ウェブの最大厚みであり、通常、ｔ_０は、１３〜１４ｍｍの値になる。

テーパ部は、半径Ｒ_１を有する凸状の円筒形表面を有し、前記ウェブの中心線に向かって半径Ｒ_２を有する凹状の円筒形表面が前記凸状円筒形表面に隣接し、Ｒ_２はＲ_１よりも実質的に大きく、前記シートパイルの公称幅Ｌの何倍も大きくなっている。

次の好ましい実施例の説明および添付図面から、本発明の上記以外の特徴および利点が明らかとなろう。

添付図面は本発明の好ましい実施例を示すが、この実施例はこれだけには限られない。

図１は種々のメーカーによって何十年間も市販されている、熱間圧延されたストレートウェブのスチール製シートパイル１０’_１、１０’_２および１０’_３を示す。かかるストレートシートパイル１０’_１は、ストレートウェブ１２’と、２つの対称的なインターロックストリップ１４’_１、１６’_１を含む。インターロックストリップはサムアンドフィンガータイプのものであり、２つの長手方向側面でウェブ１２’の境界を定めている。

かかるストレートシートパイルの寸法、例えばＬで表示されるストレートシートパイル１０’_１の公称幅と、Ｗで表示されるウェブの幅と、ｔで表示されるウェブの厚みは、基本的には図１に示されるように定められる。メーカーの現在の出荷プログラムから選択されるストレートシートパイルは、例えば５００ｍｍの公称幅と、１１〜１３ｍｍのウェブ厚みと、３０ｍよりも長い出荷長さを有する。

図１から明らかなように、ストレートシートパイル１０’はシートパイル壁内で交互に１８０度だけ回転された状態で配置されており、インターロックストリップ１４’、１６’によって一体となるようにフック係止されている。２つの一体となるようにフック係止されたインターロックストリップ１４’_１、１４’_２の場合、２つのサム１８’_１、１８’_２は、一方が他方の後方に係合しており、フィンガー２０’_１、２０’_２は対向するインターロックストリップのサム１８’_２、１８’_１をそれぞれ囲んでいる。

かかるストレートシートパイルは内部係留をすることなく、セル状のコファダムを構築するのに特に使用される。セルの形状により、円形セル状コファダムとストレートセル状コファダムとに違いがある。米国では、かかるストレートシートパイルはいわゆるオープンセルの建築にも使用されている（例えば米国特許第6,715,964号参照）。これらストレートシートパイルは主にセルの水平方向に引張応力を受ける。既に冒頭に記載したように、すべての公知のストレートシートパイルは、メーカーが保証する最低のインターロック引張強度に達するまで、すなわちインターロック接続部が故障するまで、ウェブの塑性変形が生じないように設計されている。

図２は、本発明に係わるストレートシートパイル１０の左側の半分を示す。図１から公知のストレートシートパイルと同じように、シートパイルは実質的にストレートなウェブ１２と、サムアンドフィンガータイプの対称的な２つのインターロックストリップを備えインターロックストリップは２つの長手方向側面でウェブ１２の境界を定めている。参照番号２２は、シートパイル１０の中間平面を示し、このシートパイルは同時にシートパイル１０の対称平面ともなっている。ストレートシートパイル１０はストレートシートパイル１０’と同じ幅および同じインターロックストリップを有する。

しかしながら、図１の上記標準的なストレートシートパイル１０’と対照的に、図２のシートパイル２０のウェブの故障負荷は、インターロックストリップの最低引張強度の９０％未満となるように設計されているので、インターロックストリップ１４によって接続された２つのシートパイルを引張試験する際に、インターロックストリップ１４が壊れるまで、ウェブは塑性変形する。このことは、インターロック接続部の故障が生じる前にウェブ１２が中心テーパ部２４の領域内で塑性変形するように、ウェブ１２内に中心テーパ部２４を圧延することによって達成されている。

新規なシートパイルの寸法の例
図示されているストレートシートパイルは、Ｒ＝６０００ｋＮ／ｍの最低インターロック引張強度が得られるように設計した。このようなインターロック部の比較的高い引張強度を得るために、公称降伏点ｆ_ｙ＝４６０ＭＰａを有し、更にｆ_ｕ＝５３０ＭＰａの公称故障応力を有するスチール品質Ｓ４６０ＧＰを選択した。更に、同じ公称幅を有する標準的なストレートシートパイルと比較して、インターロックストリップ１４の接続領域におけるウェブの厚みｔ_０を若干厚くした。

インターロックストリップ１４が破壊される前に、テーパの付いたウェブ１２が弾性変形することを保証するために、ウェブの公称故障負荷を保証されたインターロック部の引張強度の８５％に制限した。この結果、次のような式で定められるテーパ２４の領域におけるウェブの厚みｔを定めた。

最後に、テーパの付いたウェブゾーンに対して９.５ｍｍの最低ウェブ厚みｔを選択した。

この最低厚みｔは中心ウェブ部分２４内の幅Ｂに対して一定であり、この幅ｂはウェブ１２の全幅Ｗの少なくとも５％になっていることが好ましい。最低厚みｔを有するこの中心ウェブ部分２４は、降伏点をオーバーシュートした後にウェブの塑性変形を吸収する。幅Ｂが広くなればなるほどストレートシートパイルの塑性加工能力も大きくなる。すなわち最終的に故障するまでウェブは幅をより広く広げることができる。わずかに変形された組のロールにより、若干厚くされたインターロックストリップ１４を容易に圧延できるようにするために、幅ｔ_０を厚くした十分広いウェブエッジを維持しなければならない。更に、この点に関し、幅Ｂが過度に広くなると、ストレートシートパイルを挿入する際に不安定さが生じることになり得る。更に、二次構造体の破損を防止するために塑性変形を制限することも重要である。所定の変形量を越えると、このストレートシートパイルはこの場合、シフト作業を開始するように更なる負荷吸収を防止しなければならない。従って、これらの理由から、中心ウェブ部分２４の幅Ｂは広すぎてはならず、基本的にはウェブ１２の全幅Ｗの８０％よりも広くなってはならない。初期の引張試験によれば、最低の厚みｔを有する中心ウェブ部分２４に対して幅Ｂが約３０〜６０ｍｍの場合でも、多くの用途に対するシートパイル１０の塑性加工能力を十分大きくできることも確認にされた。ウェブ１２の中心ライン２２まで厚みが連続的に薄くなるウェブにより、実質的に低い塑性加工能力が得られ、ウェブはウェブの中心ラインだけで最低厚みｔに達する（すなわちＢ≒０）。

最低厚みｔを有する中心ウェブ部分２４から、厚みｔ_０を有する厚くしたウェブエッジまでの移行領域では、ウェブ１２は半径Ｒ_１を有する凸状の円筒形表面を有することが好ましく、この表面は、ウェブの中心ラインに向かって半径Ｒ_２を有する凹状円筒形表面に隣接する。この場合の半径Ｒ_２は、半径Ｒ_１よりも実質的に大きく、シートパイルの公称幅Ｌよりも、何倍も大きい。

一定のウェブ厚みを有する標準的ウェブを圧延するために使用される、同じ圧延機により、わずかに変更するだけで、図２のストレートシートパイル１０を圧延できることに注目されたい。この目的のために、標準的なレンジを有する通常のストレートなシートパイルを圧延する現在のロールの対を旋盤でわずかに加工するだけでよく、多大な投資は不要である。

本発明に係わるストレートシートパイルの代表的な性質を更に説明するために、図３のグラフは３つの異なるストレートシートパイルに関する代表的な負荷／変位曲線を示している。これら曲線は、ｐｒＥＮ１２０４８に従ったパス制御された引張試験で記録されたものである。試験候補サンプルは、ウェブの形状だけが互いに異なっており、すべての候補サンプルは、公称降伏点ｆ_ｙ＝４６０ＭＰａを有し、ｆ_ｕ＝５３０ＭＰａの公称故障応力を有するスチール品質Ｓ４６０ＧＰを有していた。

曲線１は１３ｍｍの一定のウェブ厚みを有する標準的なストレートシートパイルからの２つのサンプルを接続した場合の負荷／変位曲線である。この接続は、６０００ｋＮ／ｍより大きい引張負荷を達成できるが、５ｍｍの相対的変位量の場合、既に不安定となり始めた。インターロック接続部の剪断開口によって最終的にこの接続部の故障が生じる。

曲線２はストレートシートパイルからの２つのパイルを接続した場合の負荷／変位曲線であり、この場合、ウェブの厚みはウェブの中心ラインまでインターロックストリップの近くでの１３.５ｍの値から連続的に薄くなっており、ウェブの中心ラインで９.５ｍｍのウェブの最低厚みとなっている。この接続は、４５００ｋＮ／ｍの最高引張負荷を達成するが、７ｍｍよりも大きい相対的変位後にしか不安定とならないことが理解できる。この場合の接続部の故障に先立ち、約５ｍｍの顕著な塑性変位が生じる。従って、この塑性変位長さはストレートシートパイル１０の全幅の約１％に達する。

曲線２はｔ_０＝１３.５ｍｍ、ｔ_０＝１３.５ｍｍ、ｔ＝９.５ｍｍおよびＢ＝４０ｍｍである、図２に示されたストレートシートパイルから選択した２つのサンプルの接続部に対する負荷／変位曲線である。この接続部は、４５００ｋＮ／ｍの最高引張負荷も達成する。しかしながら、接続部の故障に先立ち、ほとんど１０ｍｍの塑性変位が生じるので、接続部はインターロック接続部の開口を生じることなく、引張方向にほとんど１２ｍｍの相対的変位を吸収できる。このケースにおける塑性変位長さは、ストレートシートパイル１０の全幅の２％に達する。

高塑性変形容量に起因し、本発明に係わるストレートシートパイルは、船舶が衝突したり、春の大潮よび嵐の波における大重量の漂流物の衝撃に耐えなけれならなかったり、および／または地震発生ゾーンに構築すべきコファダムで使用するのに卓越して適す。インターロック接続部が剪断開口する危険性、従ってコファダムのセルが流出する危険性は、本発明に係わるストレートシートパイルによりかなり低減される。

最後であるが、決して軽んじてはならない、これら新規なストレートシートパイルは、わずかに変更しただけの組のロールを有する現行の圧延機で製造できるので、特に有効である。従って、必要な投資は、一定のウェブ厚みを有し、変形されたクローの幾何学的形状を有する新しいストレートシートパイルと比較すると、無視できる額である。

メーカーの標準的な出荷プログラムから得られる３つの一体的にフック係止されたストレートウェブのスチール製シートパイルの横断面図である。 シートパイルの左半分だけが示されている、本発明に係わるストレートウェブのスチール製シートパイルの横断面図である。 標準的なストレートシートパイルおよび本発明に係わる２つのタイプのストレートシートパイルに対する負荷／変位曲線を再現したグラフである。

符号の説明

１０ シートパイル
１２ ストレートウェブ
１４、１６ インターロックストリップ
１８ サム
２０ フィンガー
２２ 中間平面
２４ 中心ウェブ部分

Claims (9)

1. 長手方向両側面にはインターロックストリップ（１４）が配設されているストレートウェブ（１２）から構成された、セル状コファダムを構築するための熱間圧延されたスチール製シートパイルにおいて、
   前記ウエブ（１２）は、３０〜１００ｍｍである幅Ｂと一定の厚さｔとを有する中心部分を含む、圧延加工されたテーパ部（２４）を備え、前記厚みｔは前記ウエブ（１２）の最低厚みであり、前記インターロックストリップ（１４）により接続された２個のシートパイルの引張試験において、インターロック接続部が破壊する前に、前記ウエブ（１２）が前記テーパ部（２４）において塑性変形するように設計されている、ことを特徴とするシートパイル。
2. 前記インターロックストリップ（１４）に対して最低引張強度が保証されており、前記ウェブ（１２）は前記インターロックストリップ（１４）の最低引張強度の９０％未満である公称破損荷重を有する、請求項１記載のシートパイル。
3. 前記インターロックストリップ（１４）によって接続された２個のシートパイルの引張試験において、シートパイルの全幅の少なくとも１％の長さの塑性変形が前記ウエブ（１２）に測定される、請求項１または２記載のシートパイル。
4. 前記テーパ部（２４）は、前記ウェブ（１２）の中心線（２２）に対して対称的に配設されている、請求項１〜３のうちの１つに記載のシートパイル。
5. 前記ウェブ（１２）は前記インターロックストリップ（１４）との接続領域において最大の厚みを有する、請求項１〜４のうちの１つに記載のシートパイル。
6. 前記ウェブ（１２）は前記インターロックストリップ（１４）の各々に隣接した幅ｂ_０の部分において一定の厚みｔ_０を有し、前記一定の厚みｔ_０は前記ウェブ（１２）の最大厚みである、請求項１〜５のうちの１つに記載のシートパイル。
7. 前記テーパ（２４）は半径Ｒ_１を有する凸状の円筒形表面と前記凸状の円筒状表面に隣接して且つこれよりも前記ウエブ（１２）の前記中心線（２２）側に位置する半径Ｒ_２を有する凹状の円筒形表面とを有し、Ｒ_２はＲ_１よりも大きく且つシートパイルの公称幅Ｌよりも何倍も大きい、請求項１〜６のうちの１つに記載のシートパイル。
8. 少なくとも５５００ｋＮ／ｍのインターロック接続部最低引張強度が保証されるように設計されている、請求項１〜７のうちの１つに記載のシートパイル。
9. 前記インターロックストリップ（１４）は、対称的なサムアンドフィンガータイプである、請求項１〜８のうちの１つに記載のシートパイル。

Images