JP5640858B2 - 既設鉄骨部材の補強構造及び補強方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ウエブとその両側のフランジと、フランジを補剛するためのリブプレートとを有する既設鉄骨部材の補強構造及び補強方法に関するものである。
図１７は、従来の鉄骨梁として用いられる既設鉄骨部材１０１の構成を下側から見た斜視図であり、図１８（ａ）はその側面図であり、図１８（ｂ）は図１８（ａ）のＪ―Ｊ線断面図である。
一般に、クレーンレールを支持する梁や橋梁の主桁等の鉄骨梁や鉄骨柱として用いられる断面Ｈ形等の既設鉄骨部材１０１に対しては、図１７、図１８に示すように、フランジ１１３を補剛するために鋼板等からなるリブプレート１２１を接合することが多い。このリブプレート１２１は、ウエブ１１１に直交するように配置され、フランジ１１３の内面及びウエブ１１１の側面に溶接により接合されている。これにより、フランジ１１３の面外方向に曲げ荷重が負荷されたときに、リブプレート１２１によりフランジ１１３の曲げ変形を拘束することが可能となり、既設鉄骨部材１０１の強度、剛性の向上を図ることが可能となっている。
このとき、リブプレート１２１は、重量を減らして経済的な設計とするために、接合されるフランジ１１３側の板幅が大きく、その接合されるフランジ１１３とは反対側の板幅が小さくなるように断面三角形状、断面台形状等に形成されたものを用いることが一般である。また、リブプレート１２１は、重量を減らして経済的な設計とするために、ウエブ１１１の板幅方向長さがウエブ１１１の板幅の半分より小さく形成されたものを用いることが一般である。
しかしながら、上述のような構造であると、フランジ１１３の面外方向に曲げ荷重が負荷された場合に、リブプレート１２１が接合されるフランジ１１３とは反対側に位置するリブプレート１２１の端部１２１ａの溶接接合部１２２において大きな応力集中が発生してしまうことになる。また、そのリブプレート１２１の端部１２１ａの溶接接合部１２２は、回し溶接が行なわれることが多いことから、溶接の熱影響により発生する引張残留応力や材質劣化の影響により構造欠陥が発生し易い部位となっている。このため、同構造では、フランジ１１３の面外方向に曲げ荷重が繰り返し負荷されたときに、その応力集中によりリブプレート１２１の端部１２１ａ近傍のウエブ１１１において疲労による亀裂が生じ易くなっており、既設鉄骨部材１０１の崩壊を招く恐れが高いものとなっていた。
これを解決するための既設鉄骨部材の補強構造としては、例えば、以下のようなものが提案されている。図１９（ａ）は、従来の鉄骨梁として用いられる既設鉄骨部材１０１の補強構造１０３の構成を示す側面図であり、図１９（ｂ）は図１９（ａ）のＫ−Ｋ線断面図である。
この既設鉄骨部材１０１の補強構造１０３では、リブプレート１２１の端部１２１ａの溶接接合部１２２での溶接ビードを削った後、既設鉄骨部材１０１の軸方向と平行に平板状の鋼板等からなる補強部材１５１をリブプレート１２１の端部１２１ａに突き当てて配置する。そして、補強部材１５１とウエブ１１１を確実に固定するため、リブプレート１２１とは反対側からこの補強部材１５１をウエブ１１１の側面に、突合せ溶接により十分な溶け込み量を確保しつつ接合するとともに、応力集中部となる各リブプレート１２１の端部１２１ａを補強部材１５１に溶接により接合することとしている。これにより、各リブプレート１２１の端部１２１ａの溶接接合部１２２における応力集中が緩和されて、既設鉄骨部材１０１の耐力、疲労強度の向上を図ることが可能となる。
因みに、既設鉄骨部材１０１の補強構造１０３とは直接関係はないが、橋梁の主桁の補強構造のような他の技術分野では、特許文献１〜４に記載のような技術が開示されている。
しかしながら、このような補強構造１０３では、応力集中が生じ得るリブプレート１２１の端部１２１ａの溶接接合部１２２の極めて近くで溶け込み量の大きい突合せ溶接をすることになるため、溶接作業が困難となるうえ、既熱影響部にさらに熱影響を与えるため、引張残留応力や材質変化の影響により依然として構造欠陥を生み出し易くなっており、かえって既設鉄骨部材１０１の耐力、疲労強度の低下を招きかねないことになっていた。
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とすることころは、フランジを補剛するためのリブプレートを有する既設鉄骨部材を補強するにあたって、構造欠陥の発生を防止しつつ、その耐力、疲労強度の向上を図ることができるうえ、作業性にも優れた既設鉄骨部材の補強構造及び補強方法を提供することにある。
本発明者は、上述した課題を解決するために、鋭意検討の末、下記の既設鉄骨部材の補強構造及び補強方法を発明した。
第１発明に係る既設鉄骨部材の補強構造は、ウエブとその両側のフランジと、一方のフランジの内面及びウエブの側面に溶接により接合されたリブプレートとを有する既設鉄骨部材の補強構造において、前記一方のフランジとは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記ウエブの側面に沿って補強部材が接合されているとともに、前記リブプレート又は前記一方のフランジに前記補強部材が接合され、前記補強部材は、前記リブプレートの両側面と前記ウエブの側面とに接合され、かつ、前記リブプレートと前記ウエブとの溶接接合部においてスカラップが形成されていることを特徴とする。
第２発明に係る既設鉄骨部材の補強構造は、ウエブとその両側のフランジと、一方のフランジの内面及びウエブの側面に溶接により接合されたリブプレートとを有する既設鉄骨部材の補強構造において、
前記一方のフランジとは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記ウエブの側面に沿って補強部材が接合されているとともに、前記リブプレート又は前記一方のフランジに前記補強部材が接合され、前記補強部材は、前記ウエブの側面に接合されているとともに、その両端部が前記一方のフランジの内面に接合されていることを特徴とする。
前記一方のフランジとは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記ウエブの側面に沿って補強部材が接合されているとともに、前記リブプレート又は前記一方のフランジに前記補強部材が接合され、前記補強部材は、前記ウエブの側面に接合されているとともに、その両端部が前記一方のフランジの内面に接合されていることを特徴とする。
第３発明に係る既設鉄骨部材の補強構造は、第２発明において、前記補強部材は、一つ、二つ又は三つ以上の前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記ウエブの側面に沿って接合されていることを特徴とする。
第４発明に係る既設鉄骨部材の補強構造は、第１発明〜第３発明の何れか一つの発明において、前記補強部材は、前記一方のフランジとは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部に対して５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の間隔を空けて接合されていることを特徴とする。
第５発明に係る既設鉄骨部材の補強構造は、第１発明〜第４発明の何れか一つの発明において、前記補強部材は、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下の板厚からなることを特徴とする。
第６発明に係る既設鉄骨部材の補強構造は、第１発明〜第５発明の何れか一つの発明において、前記補強部材は、前記ウエブの側面からの高さが２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることを特徴とする。
第７発明に係る既設鉄骨部材の補強構造は、第１発明〜第６発明の何れか一つの発明において、前記補強部材は、前記リブプレート又は前記一方のフランジと前記ウエブの側面とに溶接により接合されていることを特徴とする。
第８発明に係る既設鉄骨部材の補強構造は、第７発明において、前記補強部材の溶接による接合部は、グラインダ処理又はピーニング処理されていることを特徴とする。
第９発明に係る既設鉄骨部材の補強構造は、第１発明〜第８発明の何れか一つの発明において、前記補強部材は、前記ウエブの側面からの高さについて、前記一方のフランジ側が高く、前記一方のフランジとは反対側が低くなるように形成されていることを特徴とする。
第１０発明に係る既設鉄骨部材の補強構造は、第１発明〜第９発明の何れか一つの発明において、前記既設鉄骨部材は、鉄骨梁又は鉄骨柱として用いられていることを特徴とする。
第１１発明に係る既設鉄骨部材の補強方法は、ウエブとその両側のフランジと、一方のフランジの内面及びウエブの側面に溶接により接合されたリブプレートとを有する既設鉄骨部材の補強方法において、 前記一方のフランジとは反対側の前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記ウエブの側面に沿って補強部材を接合するとともに、前記リブプレート又は前記一方のフランジに前記補強部材を接合し、前記リブプレートの両側面と前記ウエブの側面とに前記補強部材を接合し、かつ、前記リブプレートと前記ウエブとの溶接接合部において前記補強部材にスカラップを形成することを特徴とする。
第１発明〜第１１発明によれば、リブプレートの端部の溶接接合部における応力集中を緩和することができるうえ、リブプレートが接合されるフランジとは反対側の補強部材の端部で応力集中が生じ易い部位を分散させることができ、その結果、局所的に応力集中が生じるのを抑えることが可能となる。これにより、既設鉄骨部材の耐力、疲労強度の向上を図ることが可能となる。また、補強部材の接合時においてリブプレートの端部とウエブとの溶接接合部の極めて近くで溶接することなく作業をすることができ、作業性に優れているうえ、構造欠陥の発生を防止しつつ上述のような効果を発揮することが可能となる。
以下、本発明を適用した既設鉄骨部材の補強構造及び補強方法の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る既設鉄骨部材１の補強構造３の構成を下側から見た斜視図であり、図２（ａ）はその側面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。また、図３（ａ）は図２（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の分解図である。
本発明の適用の対象となる既設鉄骨部材１は、ウエブ１１とその両側のフランジ１３、１５とを有しており、そのウエブ１１、フランジ１３、１５により断面Ｈ形、断面Ｉ形等に形成されている。この既設鉄骨部材１は、ウエブ１１に直交するように配置され、一方のフランジ１３の内面及びウエブ１１の側面に溶接により接合された複数のリブプレート２１を更に有している。既設鉄骨部材１は、第１実施形態において、鉄骨梁として用いられているものを例示しているが、この他に鉄骨柱としても用いられる。既設鉄骨部材１は、鉄骨梁として用いられる場合、例えば、クレーンレールを支持する梁や橋梁の主桁等の鉄骨梁として用いられる。なお、第１実施形態において既設鉄骨部材１には、ウエブ１１を補剛するためのスチフナプレート１７が接合されている。
リブプレート２１は、鋼板等から構成されるものであり、フランジ１３を補剛するために接合される。リブプレート２１は、第１実施形態において、既設鉄骨部材１の上側のフランジ１３を補剛するために、そのフランジ１３の内面及びウエブ１１の側面に溶接により接合されている。
リブプレート２１は、重量を減らして経済的な設計とするために、第１実施形態において、接合されるフランジ１３側の板幅が大きく、その接合されるフランジ１３とは反対側の板幅が小さくなるように断面三角形状、断面台形状等に形成されている。また、リブプレート２１は、重量を減らして経済的な設計とするために、第１実施形態において、ウエブ１１の板幅方向長さがそのウエブ１１の板幅の半分より小さく形成されている。
ここで、第１実施形態に係る補強構造３においては、応力集中が生じ得るリブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２を取り囲むように、ウエブ１１の側面に沿って補強部材３１が溶接等により接合されており、更に、リブプレート２１にその補強部材３１が溶接等により接合されている。なお、ここでいう応力集中が発生し得るリブプレート２１の端部２１ａとは、リブプレート２１が接合されるフランジ１３とは反対側に位置するリブプレート２１の端部２１ａのことを意味する。
補強部材３１は、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２に生じ得る応力集中を緩和するものとして機能する。補強部材３１は、リブプレート２１のウエブ１１に対する溶接接合部２２のうち、応力集中が生じ得るリブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２を少なくとも取り囲むように接合されている。また、補強部材３１は、リブプレート２１に対しては、そのリブプレート２１の両側面に接合されている。補強部材３１をウエブ１１に溶接により接合するにあたっては、補強部材３１をウエブ１１に確実に固定するため、その溶接形態として、補強部材３１の両面側又は片面側から突合せ溶接をして十分な溶け込み量を確保できるようにすることが好ましい。
補強部材３１は、筒状に形成された鋼材等からなるものであり、第１実施形態においては断面円形筒状の円形鋼管から構成されている。これにより補強部材３１は、リブプレート２１が接合されるフランジ１３とは反対側の端部３１ａが湾曲して形成されることになり、その湾曲した端部３１ａがウエブ１１に接合されることになる。なお、補強部材３１は、後述のようにその断面形状について特に限定するものではないが、円形鋼管等の断面円形筒状に構成されている場合、実現が非常に容易となり、経済性の観点から好ましい。
補強部材３１は、図３（ｂ）に示すように、その周方向の一部の範囲に亘って切り欠くような切欠部３３が形成されている。補強部材３１は、その切欠部３３内にリブプレート２１が嵌め込まれたうえで、そのリブプレート２１の側面に接合されている。
補強部材３１は、リブプレート２１とウエブ１１との溶接接合部２２においてスカラップ３５が形成されている。このスカラップ３５は、リブプレート２１とウエブ１１との溶接接合部２２に沿って延びる溶接ビードを避けるように、補強部材３１の一部を切り欠いて形成されるものである。このスカラップ３５があることにより、補強部材３１をウエブ１１等に溶接により接合するにあたって、リブプレート２１の端部２１ａ以外とウエブ１１との溶接接合部２２に対して更に溶接することを防止できる。
次に、本発明の第１実施形態の作用効果について説明する。図４は、本発明の第１実施形態に係る既設鉄骨部材１の補強構造３の作用効果について説明するための図である。
既設鉄骨部材１のリブプレート２１が接合されている側のフランジ１３に対して面外方向に曲げ荷重が負荷された場合、この曲げ荷重は、リブプレート２１に対して図４に示す方向Ｐ１に伝達されることになる。このとき、リブプレート２１に対しては、その側面に補強部材３１が接合されているので、リブプレート２１に負荷される応力の一部が補強部材３１に対して図４に示す方向Ｐ２に伝達されることになる。これにより、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２以外に、リブプレート２１が接合されるフランジ１３側とは反対側の補強部材３１の端部３１ａにおいても接合部３２で応力集中が生じ易くなり、その結果、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２における応力集中が緩和されることになる。
このとき、第１実施形態に係る補強部材３１は、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２を取り囲むように接合されているので、リブプレート２１が接合されるフランジ１３とは反対側の端部３１ａのような比較的広い範囲Ｓ１に応力集中が生じ易い部位を分散させることができ、その結果、局所的に応力集中が生じるのを抑えることが可能となる。
このように、第１実施形態に係る補強構造３によれば、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２における応力集中を緩和することができるうえ、局所的に応力集中が生じるのを抑えることが可能となっているため、既設鉄骨部材１の耐力、疲労強度の向上を図ることが可能となる。
また、第１実施形態に係る補強構造３によれば、補強部材３１の接合時においてリブプレート２１の端部２１ａとウエブ１１との溶接接合部２２の極めて近くで溶接することなく作業することができ、作業性に優れているうえ、構造欠陥の発生を防止しつつ上述のような効果を発揮することが可能となる。
また、第１実施形態に係る補強構造３によれば、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２を取り囲むように補強部材３１をウエブ１１の側面に接合しつつ、その補強部材３１をリブプレート２１の両側面に接合するのみで足りるため、上述の所期の効果を得るうえで補強部材３１の大きさを小さくすることができ、ひいては補強部材３１の重量を軽くすることが可能となる。これにより、補強部材３１を一人の作業員が容易に持ち運び可能となる程度の重さにすることにより、高所にある既設鉄骨部材１の補強作業をするうえでの安全性の向上を図ることが可能となる。
また、第１実施形態に係る補強構造３によれば、補強部材３１を接合しようとするリブプレート２１の板厚に応じた切欠部３３が形成されていれば、あとは補強部材３１を現地に持ち運んで接合するのみでよく、既設鉄骨部材１の他の部位に応じて補強部材３１の寸法を調整する手間を抑えることが可能となる。
ここで、第１実施形態に係る補強部材３１は、リブプレート２１の接合されるフランジ１３とは反対側の端部３１ａの形状を調整することにより、その補強部材３１の端部３１ａの接合部３２に対する応力集中を更に緩和させることが可能である。例えば、リブプレート２１の接合されるフランジ１３とは反対側に位置する補強部材３１の端部３１ａのウエブ１１の側面からの高さを高くして、その端部３１ａが先鋭化された形状とならないようにしておけば、その補強部材３１の端部３１ａの接合部３２に対する応力集中を更に緩和させることが可能となる。また、第１実施形態に係る補強部材３１のように、リブプレート２１の接合されるフランジ１３とは反対側に位置する補強部材３１の端部３１ａを湾曲させておけば、その端部３１ａが低剛性化されることにより端部３１ａの接合部３２に対する応力集中を更に効果的に緩和させることが可能となる。
なお、上述した第１実施形態においては、補強部材３１が断面円形筒状の円形鋼管から構成されている例について説明したが、補強部材３１は、図５（ａ）〜図５（ｄ）に示すように、その断面形状については特に限定するものではない。例えば、図５（ａ）に示すように、断面角形筒状に形成されていてもよいし、図５（ｂ）、図５（ｃ）に示すように、断面台形状に形成されていてもよい。また、図５（ｄ）に示すように、リブプレート２１が接合されるフランジ１３側の端部３１ｂが断面角形状に形成され、そのフランジ１３とは反対側の端部３１ａが湾曲して形成されていてもよい。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、上述した構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付すことにより以下での説明を省略する。図６は、本発明の第２実施形態に係る既設鉄骨部材１の補強構造３の構成を下側から見た斜視図であり、図７（ａ）はその側面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。
第２実施形態に係る補強構造３においては、応力集中が発生し得るリブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２を取り囲むように、ウエブ１１の側面に沿って補強部材４１が溶接等により接合されており、更に、リブプレート２１が接合されている側のフランジ１３とウエブ１１の側面とにその補強部材４１が溶接等により接合されている。なお、ここでいう応力集中が発生し得るリブプレート２１の端部２１ａとは、リブプレート２１が接合されるフランジ１３とは反対側に位置するリブプレート２１の端部２１ａのことを意味する。
補強部材４１は、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２に生じ得る応力集中を緩和するものとして機能する。補強部材４１は、リブプレート２１のウエブ１１に対する溶接接合部２２の総てを取り囲むように接合されている。また、補強部材４１は、第２実施形態において、一つのリブプレート２１のウエブ１１に対する溶接接合部２２を取り囲むように接合されているが、後述のように、複数のリブプレート２１のウエブ１１に対する溶接接合部２２を取り囲むように接合されていてもよい。補強部材４１をウエブ１１に溶接により接合するにあたっては、補強部材４１をウエブ１１に確実に固定するため、その溶接形態として、補強部材３１の両面側又は片面側から突合せ溶接をして十分な溶け込み量を確保できるようにすることが好ましい。
補強部材４１は、帯状に形成された鋼材等からなるものであり、第２実施形態においては断面Ｕ字状の鋼板から構成されている。これにより補強部材４１は、リブプレート２１が接合されるフランジ１３側とは反対側の端部４１ａが湾曲して形成されることになり、その湾曲した端部４１ａがウエブ１１に接合されることになる。また、補強部材４１は、その長手方向の両端部４１ｂが、リブプレート２１が接合されている側のフランジ１３の内面に接合されている。
次に、本発明の第２実施形態の作用効果について説明する。図８は、本発明の第２実施形態に係る既設鉄骨部材１の補強構造３の作用効果について説明するための図である。
既設鉄骨部材１のリブプレート２１が接合されている側のフランジ１３に対して面外方向に曲げ荷重が負荷された場合、フランジ１３に負荷された曲げ荷重の大半は、リブプレート２１ではなく補強部材４１に対して図８に示すような方向Ｑ１に伝達されることになる。これにより、リブプレート２１が接合されるフランジ１３とは反対側に位置する補強部材４１の端部４１ａの接合部４２において応力集中が生じ易くなり、その結果、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２における応力集中が緩和されることになる。
このとき、第２実施形態に係る補強部材４１は、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２を取り囲むように接合されているので、リブプレート２１が接合されるフランジ１３とは反対側の端部４１ａのような比較的広い範囲Ｓ２に応力集中が生じ易い部位を分散させることができ、その結果、局所的に応力集中が生じるのを抑えることが可能となる。
このように、第２実施形態に係る補強構造３によれば、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２における応力集中を緩和することができるうえ、局所的に応力集中が生じるのを抑えることが可能となっているため、既設鉄骨部材１の耐力、疲労強度の向上を図ることが可能となる。
また、第２実施形態に係る補強構造３によれば、補強部材４１の接合時においてリブプレート２１の端部２１ａとウエブ１１との溶接接合部２２の極めて近くで溶接することなく作業することができ、作業性に優れているうえ、溶接欠陥の発生を防止しつつ上述のような効果を発揮することが可能となる。
ここで、第２実施形態に係る補強部材４１は、リブプレート２１の接合されるフランジ１３とは反対側の端部４１ａの形状を調整することにより、その補強部材４１の端部４１ａの接合部４２に対する応力集中を更に緩和させることが可能である。例えば、リブプレート２１の接合されるフランジ１３側とは反対側に位置する補強部材４１の端部４１ａのウエブ１１の側面からの高さを高くして、その端部４１ａが先鋭化された形状とならないようにしておけば、その補強部材４１の端部４１ａの接合部４２に対する応力集中を更に緩和させることが可能となる。また、第２実施形態に係る補強部材４１のように、リブプレート２１の接合されるフランジ１３側とは反対側に位置する補強部材４１の端部４１ａを湾曲させておけば、その端部４１ａが低剛性化されることにより端部４１ａの接合部４２に対する応力集中を更に効果的に緩和させることが可能となる。
なお、上述の第２実施形態においては、補強部材４１が一つのリブプレート２１のウエブ１１に対する溶接接合部２２を取り囲むように接合されている例について説明したが、補強部材４１は、図９（ａ）に示すように、二つのリブプレート２１のウエブ１１に対する溶接接合部２２を取り囲むように接合されていてもよいし、図示しないが、三つ以上のリブプレート２１のウエブ１１に対する溶接接合部２２を取り囲むように接合されていてもよい。ただし、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２における応力集中を緩和させる効果を優れたものとするうえでは、一つ又は二つとすることが好ましく、更に優れた効果とするうえでは、一つとすることがより好ましい。
また、上述した第２実施形態においては、補強部材４１が断面Ｕ字状の鋼板から構成されている例について説明したが、補強部材４１は、図９（ｂ）〜図９（ｅ）に示すように、その断面形状について特に限定するものではない。例えば、図９（ｂ）に示すように、断面コ字状に形成されていてもよいし、図９（ｃ）、図９（ｄ）に示すように、断面Ｖ字状に形成されていてもよい。補強部材４１が、図９（ｃ）、図９（ｄ）に示すように、断面Ｖ字状に形成される場合、リブプレート２１が接合されるフランジ１３とは反対側の端部４１ａは、図９（ｃ）に示すように、湾曲させておくことが、その端部４１ａの接合部４２に対する応力集中を緩和するうえで好ましい。また、補強部材４１は、図９（ｅ）に示すように、リブプレート２１が接合されるフランジ１３側に向かうにつれて、その長手方向の両端部４１ｂ側が狭くなるように形成されていてもよい。
次に、本発明の第１実施形態、第２実施形態に係る補強部材３１、４１の好ましい寸法条件について説明する。
本発明者は、第１実施形態、第２実施形態の両構造について、図２、図７に示すような、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２と補強部材３１、４１との間隔ｒ、補強部材３１、４１の板厚ｔ、補強部材３１、４１のウエブ１１からの高さｈが、疲労強度に対してどのような影響を及ぼすか、構造解析により調査することとした。
この構造解析は、ＦＥＭ解析により行うこととした。既設鉄骨部材１の寸法は図１０、図１１に示すような条件とし、既設鉄骨部材１の材質はヤング率が２．０５×１０5Ｎ／ｍｍ2、ポアソン比が０．３である条件とした。また、この構造解析では、補強部材３１、４１の板厚ｔを６ｍｍ、高さｈを２５ｍｍとして間隔ｒを変動させた場合の条件１と、間隔ｒを２００ｍｍ、高さｈを２５ｍｍとして板厚ｔを変動させた場合の条件２と、間隔ｒを２００ｍｍ、板厚ｔを６ｍｍとして高さｈを変動させた場合の条件３との各条件について解析を行なった。
また、この構造解析では、上フランジ１３から上方に１３５ｍｍ離れた位置Ｚが上フランジ１３と剛結合されているものとし、位置Ｚに方向Ｒの荷重が載荷された場合において、リブプレート２１の端部２１ａの近傍のウエブ１１に作用する応力を求めることとした。このとき、既設鉄骨部材１の長手方向両端のウエブ１１、上フランジ１３、下フランジ１５は拘束されている条件の下で位置Ｚに荷重を載荷するものとした。また、既設鉄骨部材１に弾性域を超えない範囲の荷重が負荷されるように位置Ｚに荷重を載荷するものとした。
疲労強度を評価するうえでは、まず、構造解析により下記の数式（１１）に記載された応力σ(1.0t)、応力σ(0.4t)を求め、その求めた応力に基づき下記の数式（１１）からホットスポット応力σhsを算出した。このとき、応力σ(1.0t)、応力σ(0.4t)について補強部材３１、４１の接合前後のものを求め、その求めた値に基づき補強部材３１、４１の接合後のホットスポット応力σhsAと、補強部材３１、４１の接合前のホットスポット応力σhsBとを算出した。なお、このホットスポット応力σhsについては、文献「川崎重工技報：ホットスポット応力を用いた船殻構造の疲労強度評価，Vol.154，pp.32-33」にも記載されている。
σhs＝１．６７×σ(0.4t)−０．６７×σ(1.0t) ・・・ （１１）
σhs ：リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２におけるウエブ１１側の溶接止端（以下、ホットスポット部という。）での応力
σ(1.0t) ：ホットスポット部からウエブ１１の板厚分離れた箇所での応力
σ(0.4t) ：ホットスポット部からウエブ１１の板厚の０．４倍分離れた箇所での応力
σhs＝１．６７×σ(0.4t)−０．６７×σ(1.0t) ・・・ （１１）
σhs ：リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２におけるウエブ１１側の溶接止端（以下、ホットスポット部という。）での応力
σ(1.0t) ：ホットスポット部からウエブ１１の板厚分離れた箇所での応力
σ(0.4t) ：ホットスポット部からウエブ１１の板厚の０．４倍分離れた箇所での応力
次に、補強部材３１、４１の接合前後のホットスポット応力σhsA、σhsBに基づき下記の数式（１２）から疲労寿命延命効果αを求め、この疲労寿命延命効果αにより疲労強度を評価することとした。
α＝σhsB 3／σhsA 3 ・・・ （１２）
α＝σhsB 3／σhsA 3 ・・・ （１２）
なお、疲労寿命延命効果αは、下記の数式（１３）に示すように、補強部材３１、４１の接合後の疲労寿命ｎAが接合前の疲労寿命ｎBに対してどの程度向上しているかを表す指標値となる数値である。
α＝ｎA／ｎB ・・・ （１３）
α＝ｎA／ｎB ・・・ （１３）
ここで、疲労寿命ｎは、下記の数式（１４）〜（１７）から導出される数式（１８）により表せる。このことから、数式（１８）により表された補強部材３１、４１の接合前の疲労寿命ｎBと、接合後の疲労寿命ｎAと、上述の数式（１３）とを結合することによりホットスポット応力σhsa、σhsbの項だけが残り、上述の数式（１２）のように疲労寿命延命効果αをホットスポット応力σhsa、σhsbにより表せることになる。なお、下記の数式（１４）〜（１６）については、文献「鋼構造物の疲労設計指針・同解説，1993年4月25日第１版発行，pp.5-17」にも記載されている。
ΔσR＝（Ｃ0／ｎ）1/3×ＣR×Ｃt ・・・ （１４）
（γb×γw×γi）×Δσα＝ΔσR ・・・ （１５）
Ｃ0＝２×１０6×Δσf ・・・ （１６）
Δσα＝σhs ・・・ （１７）
ｎ＝（２×１０6×Δσf×ＣR 3×Ｃt 3）／｛（γb×γw×γi）3×σhs 3｝・・・（１８）
ΔσR：許容応力範囲（ＭＰａ）
ＣR：平均応力補正係数
Ｃt：板厚補正係数
γb×γw×γi：安全係数
Δσα：設計応力範囲（ＭＰａ）
Δσf：２×１０6回基本許容応力範囲（ＭＰａ）
ΔσR＝（Ｃ0／ｎ）1/3×ＣR×Ｃt ・・・ （１４）
（γb×γw×γi）×Δσα＝ΔσR ・・・ （１５）
Ｃ0＝２×１０6×Δσf ・・・ （１６）
Δσα＝σhs ・・・ （１７）
ｎ＝（２×１０6×Δσf×ＣR 3×Ｃt 3）／｛（γb×γw×γi）3×σhs 3｝・・・（１８）
ΔσR：許容応力範囲（ＭＰａ）
ＣR：平均応力補正係数
Ｃt：板厚補正係数
γb×γw×γi：安全係数
Δσα：設計応力範囲（ＭＰａ）
Δσf：２×１０6回基本許容応力範囲（ＭＰａ）
図１２は、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２と補強部材３１、４１との間隔ｒに対する疲労寿命延命効果の関係について示す図である。図１３は、補強部材３１、４１の板厚ｔに対する疲労寿命延命効果の関係について示す図である。図１４は、補強部材３１、４１のウエブ１１の側面からの高さｈに対する疲労寿命延命効果の関係について示す図である。
間隔ｒは、図１２に示すように、５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である場合、上述の条件１の下で疲労寿命延命効果が２．０倍以上になることが確認できる。また、間隔ｒが７５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である場合、上述の条件１の下で疲労寿命延命効果が２．５倍以上になることが確認できる。間隔ｒが５０ｍｍ未満の場合は、補強部材３１、４１の湾曲した端部３１ａの曲率が大きくなりすぎ、その端部３１ａからウエブ１１の広い範囲に応力集中を分散させ難くなるため、疲労寿命延命効果が低くなるものと考えられる。また、間隔ｒが２００ｍｍ超の場合は、補強部材３１、４１とリブプレート２１の端部２１ａとの距離が離れすぎることにより、その補強部材３１、４１によるリブプレート２１の端部２１ａへの拘束効果がほとんど発揮できなくなるため、疲労寿命延命効果が低くなるものと考えられる。
この結果に基づき、間隔ｒの好ましい数値条件として、５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下と設定した。この間隔ｒが５０ｍｍ未満又は２００ｍｍ超であると、上述のような理由により優れた疲労寿命延命効果が得られない。また、間隔ｒが５０ｍｍ未満であると、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２の溶接ビードを削る必要が生じて作業性が悪化するうえ、既熱影響部に大きく熱影響を与えて構造欠陥を招く恐れが高くなるので好ましくない。また、間隔ｒが５０ｍｍ未満であると、補強部材３１、４１をその内周側から突合せ溶接をする場合に、溶接棒を補強部材３１、４１の内周側に入り込ませるのが困難になり溶接作業性が悪化するため好ましくない。また、この間隔ｒが２００ｍｍ超であると、補強部材３１、４１の重量の過度の増大により作業性の低下、コストの増大を招くので好ましくない。また、更に優れた疲労寿命延命効果を得る観点からは、間隔ｒを７５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下とすることが好ましい。また、間隔ｒを７５ｍｍ以上とした場合、上述の作業性、既熱影響部に対する熱影響の観点から更に優れた効果が得られる。間隔ｒを１５０ｍｍ以下とした場合、上述の重量の過度の増大による悪影響を更に抑えることが可能となる。
なお、ここでの間隔ｒは、第１実施形態に係る補強部材３１の場合、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２から補強部材３１の全周に亘る範囲での各部位までの間隔を意味し、第２実施形態に係る補強部材４１の場合、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２から、これよりもリブプレート２１が接合されるフランジ１３とは反対側に位置する補強部材４１の各部位までの間隔を意味する。
また、補強部材３１、４１の板厚ｔは、図１３に示すように、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下である場合、上述の条件２の下で疲労寿命延命効果が２．０倍以上になることが確認できる。この結果に基づき、補強部材３１、４１の板厚ｔの好ましい数値条件として、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下と設定した。板厚ｔが６ｍｍ未満であると、優れた疲労寿命延命効果が得られないうえ、補強部材３１、４１を溶接により接合するにあたって溶接作業性が悪化するので好ましくない。また、板厚ｔが１２ｍｍ超であると、補強部材３１、４１の全板厚に亘る溶け込みが得られるように突合せ溶接をするうえで、補強部材３１、４１の片面につき複数パスの溶接が必要となり、１箇所あたりの溶接作業にかかる時間が増加するうえ、補強部材３１、４１の重量の過度の増大により作業性の低下、コストの増大を招くので好ましくない。
また、補強部材３１、４１の高さｈは、図１４に示すように、２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下である場合、上述の条件３の下で疲労寿命延命効果が２．０倍以上になることが確認できる。この結果に基づき、補強部材３１、４１の高さｈの好ましい数値条件として、２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下と設定した。高さｈが２５ｍｍ未満であると、優れた疲労寿命延命効果が得られない。また、高さｈが１００ｍｍ超であると、補強部材３１、４１をその内周側から突合せ溶接する場合に溶接棒を補強部材３１、４１の内周側に入り込ませるのが困難になり溶接作業性の悪化を招くうえ、補強部材３１、４１の重量の過度の増大により作業性の低下、コストの増大を招くので好ましくない。また、補強部材３１、４１の重量の増大による作業性の低下、コストの増加を防止する観点からは、高さｈを５０ｍｍ以下とすることが更に好ましい。
以上、本発明の実施形態の例について詳細に説明したが、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。
例えば、図１５に示すように、第１実施形態に係る補強部材３１、第２実施形態に係る補強部材４１の何れもが、ウエブ１１の側面からの高さについて、リブプレート２１が接合されるフランジ１３側が高く、そのフランジ１３とは反対側が低くなるように形成されていてもよい。これにより、重量を減らして経済的な設計とすることが可能となる。
また、補強部材３１、４１を溶接により接合する場合、その溶接による接合部３２、４２は、グラインダ処理又はピーニング処理されていてもよい。ここでいうグラインダ処理とは、溶接ビードの余盛部形状が滑らかとなるように研削する処理のことをいい、これにより、溶接止端での応力集中を低減することにより疲労強度を高めることが可能となる。また、ここでいうピーニング処理とは、超音波ピーニング、ショットピーニング等のことであり、超音波振動等による打撃を溶接による接合部３２、４２に加えることにより、その接合部３２、４２に圧縮残留応力を導入して疲労強度を高めることが可能となる。
また、図１６は、本発明に係る補強構造３を鉄骨柱として用いられる既設鉄骨部材１に適用した場合の構成を示す側面図である。このように鉄骨柱として用いられる既設鉄骨部材１には、ウエブ１１の両側のフランジ１３、１５に対して面外方向に頻繁に曲げ荷重が負荷されるので、各フランジ１３、１５に対して別個のリブプレート２１が溶接により接合されている。そして、本発明に係る補強構造３も、各フランジ１３、１５に接合されたリブプレート２１毎に適用されることになる。
また、上述した各実施形態においては、ウエブ１１の両側面に補強部材３１、４１が接合されている場合を例示したが、ウエブ１１の一方の側面にのみ補強部材３１、４１が接合されていてもよい。この場合、例えば、鉄骨梁となる既設鉄骨部材１が支持するクレーンレールの操業上の制約から、ウエブ１１の他方の側面側に作業用足場を設置することが困難である場合等のような、施工上の制約があるときにおいても、そのような施工上の制約によることなく補強部材３１、４１を接合することが可能となる。
１ ：既設鉄骨部材
３ ：補強構造
１１ ：ウエブ
１３、１５ ：フランジ
１７ ：スチフナプレート
２１ ：リブプレート
２１ａ ：端部
２２ ：溶接接合部
３１ ：（第１実施形態）補強部材
３１ａ、３１ｂ ：端部
３２ ：接合部
３３ ：切欠部
３５ ：スカラップ
４１ ：（第２実施形態）補強部材
４１ａ ：端部
４２ ：接合部
３ ：補強構造
１１ ：ウエブ
１３、１５ ：フランジ
１７ ：スチフナプレート
２１ ：リブプレート
２１ａ ：端部
２２ ：溶接接合部
３１ ：（第１実施形態）補強部材
３１ａ、３１ｂ ：端部
３２ ：接合部
３３ ：切欠部
３５ ：スカラップ
４１ ：（第２実施形態）補強部材
４１ａ ：端部
４２ ：接合部
Claims (11)
- ウエブとその両側のフランジと、一方のフランジの内面及びウエブの側面に溶接により接合されたリブプレートとを有する既設鉄骨部材の補強構造において、
前記一方のフランジとは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記ウエブの側面に沿って補強部材が接合されているとともに、前記リブプレート又は前記一方のフランジに前記補強部材が接合され、
前記補強部材は、前記リブプレートの両側面と前記ウエブの側面とに接合され、かつ、前記リブプレートと前記ウエブとの溶接接合部においてスカラップが形成されていること
を特徴とする既設鉄骨部材の補強構造。 - ウエブとその両側のフランジと、一方のフランジの内面及びウエブの側面に溶接により接合されたリブプレートとを有する既設鉄骨部材の補強構造において、
前記一方のフランジとは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記ウエブの側面に沿って補強部材が接合されているとともに、前記リブプレート又は前記一方のフランジに前記補強部材が接合され、
前記補強部材は、前記ウエブの側面に接合されているとともに、その両端部が前記一方のフランジの内面に接合されていること
を特徴とする設鉄骨部材の補強構造。 - 前記補強部材は、一つ、二つ又は三つ以上の前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記ウエブの側面に沿って接合されていること
を特徴とする請求項２記載の既設鉄骨部材の補強構造。 - 前記補強部材は、前記一方のフランジとは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部に対して５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の間隔を空けて接合されていること
を特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の既設鉄骨部材の補強構造。 - 前記補強部材は、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下の板厚からなること
を特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の既設鉄骨部材の補強構造。 - 前記補強部材は、前記ウエブの側面からの高さが２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であること
を特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の既設鉄骨部材の補強構造。 - 前記補強部材は、前記リブプレート又は前記一方のフランジと前記ウエブの側面とに溶接により接合されていること
を特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の既設鉄骨部材の補強構造。 - 前記補強部材の溶接による接合部は、グラインダ処理又はピーニング処理されていること
を特徴とする請求項７記載の既設鉄骨部材の補強構造。 - 前記補強部材は、前記ウエブの側面からの高さについて、前記一方のフランジ側が高く、前記一方のフランジとは反対側が低くなるように形成されていること
を特徴とする請求項１〜８の何れか１項記載の既設鉄骨部材の補強構造。 - 前記既設鉄骨部材は、鉄骨梁又は鉄骨柱として用いられていること
を特徴とする請求項１〜９の何れか１項記載の既設鉄骨部材の補強構造。 - ウエブとその両側のフランジと、一方のフランジの内面及びウエブの側面に溶接により接合されたリブプレートとを有する既設鉄骨部材の補強方法において、
前記一方のフランジとは反対側の前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記ウエブの側面に沿って補強部材を接合するとともに、前記リブプレート又は前記一方のフランジに前記補強部材を接合し、前記リブプレートの両側面と前記ウエブの側面とに前記補強部材を接合し、かつ、前記リブプレートと前記ウエブとの溶接接合部において前記補強部材にスカラップを形成すること
を特徴とする既設鉄骨部材の補強方法。
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