JP6690178B2 - 鋼部材の補修構造および補修方法 - Google Patents

Description

本発明は、亀裂が生じた鋼部材の補修構造および補修方法に関するものであり、繰り返し載荷を受けて亀裂が発生した鋼部材に対して、溶接や孔開けを必要とせず応急処置に適した補修に関する。

工場や倉庫などには、重量物を運搬するために天井クレーンが設置されている。天井クレーンは、クレーンガーダーと呼ばれる鋼製梁の上面に敷設された軌条上を走行する。クレーンガーダーは、天井クレーンの移動に伴って繰り返し載荷を受けるため、長期間使用すると疲労亀裂が生じることがある。クレーンガーダーに疲労亀裂が発生するとクレーン走行ができなくなり、工場等の操業が中断するため、早急に補修を行う必要がある。

従来、亀裂が生じた鋼部材に孔を開け、ボルトを用いて補強材と鋼部材とを緊結して一体化する補修方法が一般的である。ところが、亀裂が入って応力が低下している母材にさらに孔を開けるため、構造上のリスクがあるうえ、孔開けを行うことにより補修に要する時間が長くなる。

また、亀裂が生じた鋼部材に補強材を溶接して、鋼部材と補強材とを一体化する補修方法もあるが、現場での溶接作業となるため、安定した溶接品質の確保が困難であり、さらに溶接熱による母材へのダメージも懸念される。また、火気を嫌う電気配線や溶剤等が周辺に配置されている場合には、これらの配線や溶剤等の火気養生もしくは移設が必須となり、作業性の問題がある。

さらに、高剛性、高強度の炭素繊維シートを、亀裂が生じた鋼部材と接着剤で一体化する方法もあるが、炭素繊維シートと鋼材との熱膨張率の差により、熱を受けた際に両者間に歪みが発生して剥離しやすいという問題がある。また、接着剤の耐熱温度は、通常７０℃以下程度であり、高温環境下では使用不可であるという問題がある。

そこで、例えば特許文献１および特許文献２には、複数枚の補強プレートで亀裂が生じた母材を挟み込むとともに、固定用のボルト貫通部にスペーサを挟むことで、母材への孔開けや溶接を回避して既設の構造物を補強する方法が開示されている。ところが、母材が腐食して減肉している場合等にはスペーサの厚さの調整が困難であり、母材に適切にボルト摩擦力を伝えることができなくなる場合がある。

特開２００８−２２６８号公報 特開２００７−７７６４３号公報

本発明の目的は、既設の鋼部材に亀裂が発生した際に、孔開けや溶接を行わず、母材の板厚の変化にも容易に対応できる簡易な補修構造および補修方法を提供することにある。

上記問題を解決するため、本発明は、亀裂が生じた鋼部材の補修構造であって、前記鋼部材がクレーンガーダーのＨ形断面の鋼材であり、前記鋼部材の亀裂が生じた部位の、ウェブを挟んだフランジの両側の両面または片面に補強材が当接され、凹部を有する本体部と、前記凹部に挟んだ部材を２個所以上で締め付けることにより前記鋼部材と前記補強材との間に摩擦力を生じさせる２つ以上の締め付けボルトとを備えた挟締金具によって、前記亀裂が生じた部位と前記補強材とが、前記凹部に挟まれて前記締め付けボルトで締め付けられ、前記鋼部材の亀裂が生じた部位の両面または片面に当接される前記補強材の断面積を合計した必要断面積Ａ（ｃｍ ^２ ）は、
Ａ＝Ａｃ×σｆ／σｓ
で求められ、
前記締め付けボルトの必要本数ｎは、
ｎ＝［Ｆ／Ｐｂ］＋１
で求められることを特徴とする、鋼部材の補修構造を提供する。
ただし、
Ａｃ：亀裂が生じた部位の断面積（ｃｍ ^２ ）
σｆ：鋼部材の強度（Ｎ／ｃｍ ^２ ）
σｓ：補強材の強度（Ｎ／ｃｍ ^２ ）
Ｆ ：亀裂が生じた部位で負担していた荷重（Ｎ）
Ｐｂ：締め付けボルト１本当たりの摩擦伝達力（Ｎ／本）
［Ｆ／Ｐｂ］：Ｆ／Ｐｂの整数部分

前記補強材は、表面に凹凸処理または金属溶射処理を施した鋼板でもよい。また、前記補強材は、亀裂の進行を外から観察できるように、前記亀裂の先端を露出させて配置されていてもよい。前記鋼部材に複数の前記挟締金具が取り付けられ、隣り合う挟締金具同士が、緊結部材で緊結されていてもよい。

また、本発明は、亀裂が生じた鋼部材の補修方法であって、前記鋼部材が、クレーンガーダーのＨ形断面の鋼材であり、前記鋼部材の亀裂が生じた部位の、ウェブを挟んだフランジの両側の両面に補強材を当接し、凹部を有する本体部と、前記凹部に挟んだ部材を２個所以上で締め付けることにより前記鋼部材と前記補強材との間に摩擦力を生じさせる２つ以上の締め付けボルトとを備えた挟締金具によって、前記亀裂が生じた部位と前記補強材とを、前記凹部で挟んで前記締め付けボルトで締め、前記鋼部材の亀裂が生じた部位の両面または片面に当接される前記補強材の断面積を合計した必要断面積Ａ（ｃｍ ^２ ）を、
Ａ＝Ａｃ×σｆ／σｓ
で求め、
前記締め付けボルトの必要本数ｎを、
ｎ＝［Ｆ／Ｐｂ］＋１
で求めることを特徴とする、鋼部材の補修方法を提供する。
ただし、
Ａｃ：亀裂が生じた部位の断面積（ｃｍ ^２ ）
σｆ：鋼部材の強度（Ｎ／ｃｍ ^２ ）
σｓ：補強材の強度（Ｎ／ｃｍ ^２ ）
Ｆ ：亀裂が生じた部位で負担していた荷重（Ｎ）
Ｐｂ：締め付けボルト１本当たりの摩擦伝達力（Ｎ／本）
［Ｆ／Ｐｂ］：Ｆ／Ｐｂの整数部分

本発明によれば、亀裂が生じた鋼部材にダメージを与えることなく、簡易に補修することができる。また、溶接を行わないので、火気を嫌う電気配線や溶剤等が周辺に配置されていても、火気養生等を行うことなく、現場で、短時間で補修できる。

本発明の実施形態にかかるクレーンガーダーの構造の概要を示す部分斜視図である。 図１に示すクレーンガーダーにおいて亀裂が生じやすい位置を示す部分斜視図である。 本発明の実施形態にかかる補修構造の一例を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかる補修構造の異なる例を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかる補修構造の例を示す斜視図である。 本発明の実施形態にかかる補修構造の設計の説明図である。 本発明の実施形態にかかる補修構造の設計例を示す断面図であり、（ａ）は鋼部材の形状および寸法を示し、（ｂ）は補強材の配置および寸法を示す。 本発明の実施形態にかかる補修構造の設計例を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本実施形態にかかるクレーンガーダーの構造の概要を示す。クレーンガーダー１は、主ガーダー１１、下面構１２、上面構１３及びバックガーダー１４を有する。主ガーダー１１は、Ｈ形鋼または平板状のプレートを溶接によりＨ形の断面に組んだ鋼材で構成され、下フランジ２１、ウェブ２２、上フランジ２３を有する。以下、本実施形態では、疲労亀裂が生じる鋼部材の例として、クレーン走行を支持するクレーンガーダーについて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

クレーンガーダー１は、クレーンの使用に伴って繰り返し載荷を受け、長期間クレーンを使用することにより疲労亀裂が生じることがある。特に、主ガーダー１１の下フランジ２１と、主ガーダー１１と下面構１２とを連結するガセットプレート２４との溶接部は、疲労亀裂が発生しやすい部位である。すなわち、図２に示すように、下フランジ２１には、ガセットプレート２４との接点２５を起点として亀裂Ｃが生じやすく、下フランジ２１の幅方向を横断してウェブ２２に向かって亀裂Ｃが延びていく。

以下、このような亀裂Ｃが生じた鋼部材（本実施形態ではクレーンガーダー１）の補修構造について説明する。

図３は、下フランジ２１に亀裂Ｃが生じた場合の、本実施形態にかかる補修構造１０の一例を示す断面図である。

下フランジ２１に図２に示すような亀裂Ｃが発生した場合、下フランジ２１の長手方向の、亀裂Ｃの位置を中心とした所定の範囲に、平板状の補強材３１を配置する。補強材３１は、例えば図３に示すように、断面において下フランジ２１の下面ほぼ全体と、下フランジ２１の上面のウェブ２２を挟んだ両側に配置する。そして、ウェブ２２の両側から、それぞれ、下フランジ２１と上下面の補強材３１とを一体化させるように、挟締金具３２で挟み込む。

挟締金具３２は、図３において略コ字状の凹部３３ａを有する本体部３３と、図３において紙面に対して垂直方向に並列する２つ以上の締め付けボルト３４とを有し、凹部３３ａに複数の板状部材を差し込んだ後締め付けボルト３４を締めることによって、複数の板状部材が長手方向に２個所以上で締め付けられて固定されるものである。２つ以上の締め付けボルト３４を有することにより、挟締金具３２が傾いたり回転したりすることなく、安定して部材を固定することができる。挟締金具３２の一例として、例えば「ピタグリップ」（登録商標）等を用いることができる。

このような挟締金具３２で下フランジ２１とその上下面に配置した補強材３１とを締め付けることにより、下フランジ２１と補強材３１との間に摩擦力が生じ、下フランジ２１に作用する荷重が補強材３１に伝達されて、補強材３１で荷重を負担することができる。本実施形態によれば、クレーンガーダー１に孔を開けたり溶接を行ったりすることなく、簡易な工程で補修することができる。したがって、電気配線や溶剤等が周辺に配置されている現場でも、火気養生や移設等を行う必要がなく、現場で容易に補修できる。しかも、亀裂が生じた鋼部材が腐食して減肉している場合でも、厚さの変化に対応し、締め付けボルトによる摩擦力を適切に伝達できる。

補強材３１は、一般的な鋼板でも構わないが、例えば表面に凹凸処理を施した高摩擦鋼板やアルミ等の金属溶射処理を施した鋼板等のように、表面の摩擦力を向上させた鋼板を用いることにより、荷重の伝達におけるロスが低減される。

図４は、本発明の異なる実施形態にかかる補修構造１０の例を示す。この例では、下フランジ２１の下面に当接する補強材３１が２つに分かれている。これは、補強材３１を取り外すことなく亀裂Ｃの進行を目視観察できるようにするためであり、補強材３１を、亀裂Ｃの先端を露出させるサイズとし、亀裂Ｃの先端が外部から見えるように配置するものである。つまり、本実施形態にかかる補修を行った後、亀裂Ｃの進行状況を外観から視認できるようにするものである。これにより、亀裂Ｃの進行状況を観察し、クレーンガーダー１の架け替えや抜本的な補強を行うタイミングを判断することができる。

また、図５は、本発明の実施形態にかかる補修構造の例を示す斜視図である。挟締金具３２は、下フランジ２１の長手方向に沿って複数個取り付けられ、隣り合う挟締金具３２同士が、緊結部材４１を用いて緊結されている。緊結部材４１はワイヤーや鋼材等からなり、この緊結部材４１を取り付けることによって、挟締金具３２の脱落を防止することができる。

次に、補強材３１の断面積および締め付けボルト３４の本数の設計方法について、図６に基づいて説明する。

まず、第一の設計方法として、必要最小限の補修を行う場合の設計方法を説明する。これは、亀裂Ｃが生じた部分で負担していた荷重のみを補強材３１で負担するものである。図６において、下フランジ２１のハッチングで示した部分を亀裂が生じた部分（以下、亀裂部）２１ｃとする。

亀裂部２１ｃで負担していた荷重Ｆ_１（Ｎ）は、
Ｆ_１＝（Ｍｃ／Ｚ）×Ａｃ
ただし、
Ｍｃ：亀裂部における作用モーメント（Ｎ・ｃｍ）
Ｚ ：亀裂部の断面係数（ｃｍ^３）
Ａｃ：亀裂部の断面積（ｃｍ^２）

図６に示す補強材３１ａ、３１ｂ、３１ｃの断面積を合計した必要断面積Ａ（＝Ａ_１＋Ａ_２＋Ａ_３）（ｃｍ^２）は、
Ａ_１＋Ａ_２＋Ａ_３＝Ａｃ×σｆ／σｓ
ただし、
Ａ_１：補強材３１ａの断面積（ｃｍ^２）
Ａ_２：補強材３１ｂの断面積（ｃｍ^２）
Ａ_３：補強材３１ｃの断面積（ｃｍ^２）
σｆ：下フランジの鋼材強度（Ｎ／ｃｍ^２）
σｓ：補強材の鋼材強度（Ｎ／ｃｍ^２）

締め付けボルト３４の必要本数ｎは、
ｎ＝［Ｆ_１／Ｐｂ］＋１
ただし、
Ｐｂ：締め付けボルト１本当たりの摩擦伝達力（Ｎ／本）
［Ｆ_１／Ｐｂ］ はＦ_１／Ｐｂの整数部分を表す。

次に、第二の設計方法として、下フランジ２１全体で負担できる荷重を補強材３１で負担可能とする設計方法を説明する。

下フランジが負担できる荷重Ｆ_２（Ｎ）は、
Ｆ_２＝Ａ_ｂｆ×σｆ
ただし、
Ａ_ｂｆ：下フランジの断面積（ｃｍ^２）

図６に示す補強材３１ａ、３１ｂ、３１ｃの断面積を合計した必要断面積Ａ（＝Ａ_１＋Ａ_２＋Ａ_３）（ｃｍ^２）は、
Ａ_１＋Ａ_２＋Ａ_３＝Ａ_ｂｆ×σｆ／σｓ

締め付けボルト３４の必要本数ｎは、
ｎ＝［Ｆ_２／Ｐｂ］＋１

上記の計算により、必要な補強材３１の断面積合計および締め付けボルト３４の本数が算出される。そして、これらより、補強材３１の断面積を確保し、且つ、締め付けボルト３４を備えた挟締金具３２を必要数だけ配置可能となるように、クレーンガーダー１の長手方向の補強材３１の長さが決定される。挟締金具３２は、補強材３１の長手方向の適宜位置に取り付ければよいが、補強材３１を亀裂部に密着させるために、できるだけ亀裂に近い位置に配置するようにする。なお、補強材３１が図４に示すように４つに分かれている場合には、断面積の合計Ａは、４つの補強材の断面積の合計とする。

以下に、補強材の断面積および締め付けボルト本数の具体的な設計例として、図７（ａ）に示す寸法（数値はｍｍ）の鋼部材について、下フランジ全体で負担できる荷重を補強材で負担可能とする場合の設計方法を説明する。

図７（ａ）に示すＨ型の鋼部材の下フランジの断面積は、
28.0cm×1.9cm＝53.2cm²
である。

下フランジおよび補強材の強度がいずれも235×10²N/cm²（＝2.4t/cm²）とすると、下フランジが負担できる荷重は、
53.2 cm²×2.4t/cm²＝127.68t
であり、補強材の必要断面積は、
127.68t／2.4t/cm²＝53.2cm²
となる。

そこで、補強材の配置および断面積は、図７（ｂ）に示す寸法（数値はｍｍ）に設計することができる。この場合の補強材の総断面積は、
11.5cm×1.2cm×2＋28.0cm×1.2cm＝61.2cm²
となり、必要断面積（53.2cm²）よりも大きい。

また、締め付けボルトの必要本数は、締め付けボルト１本、１面当たりの摩擦伝達力を2.5t／本・面とすると、補強材が下フランジの両面すなわち２面で当接していることから、
［127.68／(2.5×2)］＋1＝［25.5］＋1＝26（本）
となり、ウェブの左右両側に１３本ずつとなる。本実施形態では、１つの挟締金具当たり２つの締め付けボルトを有するものを用いることとし、亀裂Ｃの片側においてウェブ２２を挟んで下フランジ２１の両側にそれぞれ７つずつの挟締金具３２を取り付けて、１４本ずつの締め付けボルト３４で固定すればよい。

図８は、下フランジ２１の亀裂Ｃを挟んで両側に７つずつの挟締金具３２を配置した例を示したものである。挟締金具３２は、まず亀裂Ｃに近い位置に取り付けられ、残りはガセットプレート２４の位置を避けて取り付けられる。補強材３１の長手方向の長さは、挟締金具３２が配置される範囲にわたるように決定される。

以上のように、本発明は、繰り返し荷重を受けて疲労亀裂が生じた鋼部材に対して、簡易な工程で応急処置としての補修を行うものであり、この補修により、クレーン走行の停止やそれに伴う工場等の操業中断を防ぐことができる。本発明にかかる補修後、さらに亀裂が進行し、例えば亀裂Ｃが下フランジ２１からウェブ２２に達した場合等には、従来行われていたボルトや溶接による補修、またはクレーンガーダー１の架け替えや抜本的な補強を行えばよい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、振動等により疲労亀裂が生じた機械や構造物の梁や柱等の部材の補修に適用できる。

１ クレーンガーダー
１０ 補修構造
２１ 下フランジ
２２ ウェブ
２４ ガセットプレート
３１ 補強材
３２ 挟締金具
３３ 本体部
３３ａ 凹部
３４ 締め付けボルト
４１ 緊結部材
Ｃ 亀裂

Claims (5)

1. 亀裂が生じた鋼部材の補修構造であって、
   前記鋼部材がクレーンガーダーのＨ形断面の鋼材であり、
   前記鋼部材の亀裂が生じた部位の、ウェブを挟んだフランジの両側の両面または片面に補強材が当接され、
   凹部を有する本体部と、前記凹部に挟んだ部材を２個所以上で締め付けることにより前記鋼部材と前記補強材との間に摩擦力を生じさせる２つ以上の締め付けボルトとを備えた挟締金具によって、前記亀裂が生じた部位と前記補強材とが、前記凹部に挟まれて前記締め付けボルトで締め付けられ、
   前記鋼部材の亀裂が生じた部位の両面または片面に当接される前記補強材の断面積を合計した必要断面積Ａ（ｃｍ ^２ ）は、
   Ａ＝Ａｃ×σｆ／σｓ
   で求められ、
   前記締め付けボルトの必要本数ｎは、
   ｎ＝［Ｆ／Ｐｂ］＋１
   で求められることを特徴とする、鋼部材の補修構造。
   ただし、
   Ａｃ：亀裂が生じた部位の断面積（ｃｍ ^２ ）
   σｆ：鋼部材の強度（Ｎ／ｃｍ ^２ ）
   σｓ：補強材の強度（Ｎ／ｃｍ ^２ ）
   Ｆ ：亀裂が生じた部位で負担していた荷重（Ｎ）
   Ｐｂ：締め付けボルト１本当たりの摩擦伝達力（Ｎ／本）
   ［Ｆ／Ｐｂ］：Ｆ／Ｐｂの整数部分
2. 前記補強材は、表面に凹凸処理または金属溶射処理を施した鋼板であることを特徴とする、請求項１に記載の鋼部材の補修構造。
3. 前記補強材は、亀裂の進行を外から観察できるように、前記亀裂の先端を露出させて配置されていることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の鋼部材の補修構造。
4. 前記鋼部材に複数の前記挟締金具が取り付けられ、隣り合う挟締金具同士が、緊結部材で緊結されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼部材の補修構造。
5. 亀裂が生じた鋼部材の補修方法であって、
   前記鋼部材が、クレーンガーダーのＨ形断面の鋼材であり、
   前記鋼部材の亀裂が生じた部位の、ウェブを挟んだフランジの両側の両面に補強材を当接し、
   凹部を有する本体部と、前記凹部に挟んだ部材を２個所以上で締め付けることにより前記鋼部材と前記補強材との間に摩擦力を生じさせる２つ以上の締め付けボルトとを備えた挟締金具によって、前記亀裂が生じた部位と前記補強材とを、前記凹部で挟んで前記締め付けボルトで締め、
   前記鋼部材の亀裂が生じた部位の両面または片面に当接される前記補強材の断面積を合計した必要断面積Ａ（ｃｍ ^２ ）を、
   Ａ＝Ａｃ×σｆ／σｓ
   で求め、
   前記締め付けボルトの必要本数ｎを、
   ｎ＝［Ｆ／Ｐｂ］＋１
   で求めることを特徴とする、鋼部材の補修方法。
   ただし、
   Ａｃ：亀裂が生じた部位の断面積（ｃｍ ^２ ）
   σｆ：鋼部材の強度（Ｎ／ｃｍ ^２ ）
   σｓ：補強材の強度（Ｎ／ｃｍ ^２ ）
   Ｆ ：亀裂が生じた部位で負担していた荷重（Ｎ）
   Ｐｂ：締め付けボルト１本当たりの摩擦伝達力（Ｎ／本）
   ［Ｆ／Ｐｂ］：Ｆ／Ｐｂの整数部分
   

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