JP7230630B2

JP7230630B2 - 溶接継手

Info

Publication number: JP7230630B2
Application number: JP2019057900A
Authority: JP
Inventors: 耕一横関; 知徳冨永
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2023-03-01
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: JP2020157329A

Description

本発明は、溶接継手に関する。

一般的に、鋼構造物は多くの溶接継手部を含む。溶接継手部は形状の急変に伴う応力集中が生じやすく、かつ溶接熱による引張残留応力の導入や材料組織の劣化も生じるため、変動荷重が作用する場合には疲労き裂の起点になる場合がある。特に、溶接継手部において板状部材を接合面の面外方向に変形させるような荷重がかかる場合は、同様に面内方向に荷重がかかる場合に比べて変形量および発生応力が著大になる場合が多く、疲労き裂発生の可能性も高くなる。この課題に対し、例えば特許文献１に記載されたように溶接部の表面を切削して応力集中を緩和する技術や、特許文献２に記載されたように打撃処理によって引張残留応力を取り除き圧縮残留応力を導入する技術などが提案されてきた。

特開平５－６９１２８号公報特開２０１３－７１１４０号公報

しかしながら、例えば特許文献１および特許文献２に記載されたような技術はき裂発生防止に有効であるものの、鋼構造物の製作工程が増えること、き裂起点が表面からアクセスできない個所（溶接ルート部や閉断面内部など）の場合には適用できないことが問題であった。

そこで、本発明は、付加的な工程を要することなく、接合面の面外方向の荷重が作用する溶接継手における局所的な応力を低減することが可能な、新規かつ改良された溶接継手を提供することを目的とする。

本発明のある観点によれば、互いに直交する第１の方向および第２の方向を面内方向とする接合面を有し、第１の方向における第１のヤング率が第２の方向における第２のヤング率よりも小さい第１の部材と、接合面に接合され、接合面の面外方向の荷重を伝達する第２の部材とを備える溶接継手が提供される。第２の部材は、第１の方向の寸法が第２の方向の寸法よりも大きい部材であってもよい。また、第１のヤング率は、第２のヤング率よりも１０％以上小さくてもよい。
面内の第１の方向と第２の方向との間でヤング率が異なる異方性鋼板で第１の部材を形成することによって、相対的にヤング率が小さい方向における局所的な応力を低減し、面外方向の荷重が作用する場合の亀裂の発生を防止することができる。

上記の溶接継手において、第１の部材は、第１の方向の両端、および第２の方向の両端でそれぞれ変位を拘束される矩形の板状部材であり、板状部材の第１の方向の寸法および第２の方向の寸法のうち、長い方は短い方の２倍以上であってもよい。より具体的には、第１の部材は、ウェブおよびフランジを有し、長手方向の両端で他の部材に接合されるＨ形断面部材のウェブであってもよい。また、第１の部材は、ウェブおよびフランジを有し、溶接継手を挟む長手方向の２箇所でウェブおよびフランジがリブに接合されるＨ形断面部材のウェブであってもよい。あるいは、第１の部材は、３つ以上の側面を有し長手方向の両端で他の部材に接合される多角形鋼管の１つの側面であってもよい。
第１の部材が上記のような条件を満たす場合、板状部材の２方向の寸法比（アスペクト比）と異方性鋼板におけるヤング率の変化率との関係を解析して、適切な設計をすることが容易である。なお、このような場合以外でも、接合面の面内の２つの方向の間でヤング率が異なる場合にヤング率がより小さい方向で応力が低減されるという効果は同様であるため、本発明の適用範囲が上記のような条件を満たす溶接継手に限定されることはない。

以上で説明したように、本発明によれば、付加的な工程を要することなく、接合面の面外方向の荷重が作用する溶接継手における局所的な応力を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る溶接継手における荷重の方向と潜在的な疲労き裂の発生箇所との関係について説明するための図である。図１のII－II線断面図である。接合部において面外方向の荷重を受ける板状部材のモデルを示す図である。図１および図２で説明した溶接継手を図３の例と同様にモデル化した図である。溶接継手の他の例を示す図である。溶接継手の他の例を示す図である。解析結果に基づいて応力低減効果と板状部材のアスペクト比との関係を示すグラフである。解析結果に基づいて応力低減効果と板状部材のアスペクト比との関係を示すグラフである。解析結果に基づいて応力低減効果とヤング率の変化率との関係を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。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構成要素については、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、本発明の一実施形態に係る溶接継手における荷重の方向と潜在的な疲労き裂の発生箇所との関係について説明するための図である。図２は、図１のII－II線断面図である。図１および図２に示された例において、溶接継手１は、ウェブ２Ｗおよびフランジ２Ｆを有するＨ形断面部材２のウェブ２Ｗ（第１の部材）と、ウェブ２Ｗに対して垂直な方向に延びるＴ形断面部材３に接合されるガセット板４（第２の部材）との間に形成される。ガセット板４がウェブ２Ｗに接合される面（接合面）の面内方向として、互いに直交する第１の方向（図中のｘ方向）および第２の方向（図中のｙ方向）を定義する。

ここで、Ｔ形断面部材３の長手方向に荷重Ｐがかかる場合、ガセット板４はウェブ２Ｗの接合面の面外方向の荷重を伝達することになる。この場合、特に図２に示されるように、ウェブ２Ｗにおいてガセット板４の板面に平行な方向（ｘ方向）の局所応力Ｓによる疲労き裂Ｃが発生する可能性がある。より一般化していえば、第１の部材の接合面に接合された部材が、第１の方向（ｘ方向）の寸法が第２の方向（ｙ方向）の寸法よりも大きい部材である場合、寸法が相対的に大きい方の方向（図示された例ではｘ方向）に沿う局所応力Ｓによる疲労き裂Ｃが発生する可能性がある。

本発明の一実施形態では、上記で図１および図２を参照して説明したような溶接継手１において、ウェブ２Ｗを異方性鋼板で形成することによって局所応力Ｓを低減し、疲労き裂Ｃの発生を防止する。本明細書において、異方性鋼板は、面内の第１の方向におけるヤング率が通常の鋼板（等方性鋼板）よりも低く、面内で第１の方向に直交する第２の方向のヤング率が通常の鋼板よりも高い鋼板である。つまり、異方性鋼板において、面内の第１の方向における第１のヤング率は、面内で第１の方向に直交する第２の方向における第２のヤング率よりも小さい。

より具体的には、図１および図２に示された例の場合、接合面の面内方向のうち、ガセット板４の寸法が相対的に大きい方の方向（ｘ方向）のヤング率がそれに直交する方向（ｙ方向）のヤング率よりも小さい異方性鋼板で形成することによって、付加的な工程を要することなく局所応力Ｓを低減させることができる。このような手法による局所応力Ｓの低減は、接合面に接合される部材（第２の部材）がガセット板４のような板状断面である場合に限られず、例えば長方形断面や楕円形断面、長円形断面など、接合面の面内の２つの方向でそれぞれ寸法が異なる形状である場合に可能である。

図３は、接合部において面外方向の荷重を受ける板状部材のモデルを示す図である。図３には、第１の方向（ｘ方向）の長さａ、ｙ方向（第２の方向）の長さｂであり、ｘ方向の両端およびｙ方向の両端でそれぞれ変位を拘束される矩形の板状部材が示されている。この板状部材の場合、ｘ方向およびｙ方向を含むｘ－ｙ平面内の方向が面内方向であり、ｘ－ｙ平面に垂直な方向が面外方向である。

上記のモデルにおいて、板状部材の面外方向に作用する荷重Ｐが一定である場合、ｘ方向、ｙ方向のそれぞれについて、板状部材の変形は支持長さａまたは支持長さｂの曲げたわみ変形として考えることができる。この場合、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれで発生する応力σ_ｘ，σ_ｙは、板状部材のｘ方向およびｙ方向のヤング率Ｅ_ｘ，Ｅ_ｙに影響を受ける。従って、例えばＥ_ｘ＜Ｅ_ｙである場合、ヤング率の大きい方向に力が流れることによって、Ｅ_ｘ＝Ｅ_ｙである場合に比べて応力σ_ｘはより小さく、応力σ_ｙはより大きくなる。この場合、板状部材のヤング率が変化することで、板状部材の面外方向の変形量も変化することになる。

一方、上記のモデルにおいて、荷重Ｐによって生じる面外方向の変形量δが一定である場合、板状部材のヤング率が変化しても板状部材に生じるひずみεの大きさは変化しないと考えることができる。この場合、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれで発生する応力σ_ｘ，σ_ｙについて、板状部材のｘ方向およびｙ方向のヤング率Ｅ_ｘ，Ｅ_ｙとの間にσ_ｘ＝εＥ_ｘ、σ_ｙ＝εＥ_ｙの関係が成り立つ。従って、例えばＥ_ｘ＜Ｅ_０＜Ｅ_ｙである場合、Ｅ_ｘ＝Ｅ_ｙ＝Ｅ_０である場合に比べて応力σ_ｘはより小さく、応力σ_ｙはより大きくなる。ここでＥ_０は通常の鋼板（等方性鋼板）のヤング率である。この場合、板状部材のヤング率が変化することで、荷重Ｐの大きさも変化することになる。

図４は、図１および図２で説明した溶接継手を図３の例と同様にモデル化した図である。Ｈ形断面部材２の長手方向をｘ方向、高さ方向をｙ方向とした場合、ウェブ２Ｗの接合面はｘ－ｙ平面に沿って広がる。つまり、ｘ方向およびｙ方向を含むｘ－ｙ平面内の方向が接合面の面内方向であり、ｘ－ｙ平面に垂直な方向が接合面の面外方向である。Ｈ形断面部材２が長手方向の両端で柱などの他の部材に接合されているものとすると、ウェブ２Ｗは、図３のモデルと同様に、ｘ方向の両端の変位が接合される他の部材によって拘束され、ｙ方向の両端の変位がフランジ２Ｆによって拘束される矩形の板状部材になる。ガセット板４は、板面がｘ方向に平行になるように接合されている。

上記で図４の例でも、図３の例と同様に、ウェブ２Ｗのｘ方向およびｙ方向のヤング率を例えばＥ_ｘ＜Ｅ_ｙとすることによって、Ｅ_ｘ＝Ｅ_ｙである場合に比べてｘ方向の応力σ_ｘをより小さく、ｙ方向の応力σ_ｙをより大きくすることができる。従って、例えばガセット板４の板面に平行なｘ方向の応力σ_ｘを低減したい場合、ヤング率がＥ_ｘ＜Ｅ_ｙとなる異方性鋼板でウェブ２Ｗを形成することによって、切削や打撃処理といった付加的な工程を要することなく、応力σ_ｘを低減することができる。

図５および図６は、溶接継手の他の例を示す図である。図５に示された例では、図１の例と同様にＨ形断面部材２のウェブ２Ｗとガセット板４との間に溶接継手１Ａが形成されているが、図１の例との違いとして、図５の例では、溶接継手１Ａを挟む長手方向の２箇所で、Ｈ形断面部材２のウェブ２Ｗおよびフランジ２Ｆがリブ５に接合されている。この場合、ウェブ２Ｗは、Ｈ形断面部材２の長手方向（ｘ方向）の両端の変位がリブ５によって拘束され、Ｈ形断面部材の高さ方向（ｙ方向）の両端の変位がフランジ２Ｆによって拘束される矩形の板状部材になり、図４の例と同様にモデル化することが可能である。

図６に示された例では、４つの側面を有し長手方向の両端で他の部材に接合される角形鋼管６の１つの側面６Ｓとガセット板４との間に溶接継手１Ｂが形成される。この場合、側面６Ｓは、角形鋼管６の長手方向（ｘ方向）の両端の変位が接合される他の部材によって拘束され、角形鋼管６の断面方向（ｙ方向）の両端の変位が隣接する他の側面によって拘束される矩形の板状部材になり、図４の例と同様にモデル化することが可能である。

上記で図３を参照して説明したモデルを用いて、本発明の実施形態に係る溶接継手の応力低減効果について解析を行った。荷重Ｐは、板状部材の接合面の図心、すなわち（ｘ，ｙ）＝（ａ／２，ｂ／２）の位置に加えられるものとし、応力参照点も図心とした。通常の鋼板（等方性鋼板）のヤング率をＥ_０＝２００ＧＰａとし、異方性鋼板ではｘ方向およびｙ方向のヤング率Ｅ_ｘ，Ｅ_ｙがそれぞれＥ_ｘ＝Ｅ_０×（１－ｋ）、Ｅ_ｙ＝Ｅ_０／（１－ｋ）になるものとした。ここで、ｋはヤング率の変化率である。解析では、ヤング率の変化率ｋ、および板状部材のアスペクト比ａ／ｂを変化させながら、直交異方性板の面外曲げたわみの解析解を利用して、板状部材を異方性鋼板で形成したときのｘ方向応力の変化率を算出した。

図７および図８は、解析結果に基づいて応力低減効果と板状部材のアスペクト比との関係を示すグラフである。グラフに示されるように、荷重Ｐを一定にすると、ヤング率の変化率ｋが同じ場合、アスペクト比ａ／ｂが大きい、すなわち板状部材がｘ方向に長いほど、ｘ方向応力および変形量δの低減幅が大きい。ｘ方向応力については、アスペクト比ａ／ｂが小さくなると徐々に低減幅は縮小し、０．５＜ａ／ｂ＜２．０の範囲で縮小が相対的に顕著であるが、アスペクト比ａ／ｂが１よりも小さくなり、板状部材がｙ方向に長くなっても、等方性鋼板の場合の値（縦軸で１）に達することはない。変形量δについては、アスペクト比ａ／ｂが１よりも小さくなると、異方性鋼板の場合の値が等方性鋼板の場合の値を超える。これは、長方形の短い辺の方向のヤング率が長い辺の方向のヤング率よりも変形量δに与える影響が大きいためである。以上の解析結果より、荷重Ｐが一定の場合、例えばアスペクト比ａ／ｂ≧２．０を応力低減効果がより高い領域として特定することができる。

一方、変形量δを一定にすると、ヤング率の変化率ｋが同じ場合、アスペクト比ａ／ｂが小さい、すなわち板状部材がｙ方向に長い場合の方が、ｘ方向応力および荷重Ｐの低減幅が大きい。ｘ方向応力については、０．５＜ａ／ｂ＜２．０の範囲で低減幅が大きく変化するが、アスペクト比ａ／ｂが１を超えて、板状部材がｘ方向に長くなっても、等方性鋼板の場合の値（縦軸で１）に達することはない。荷重Ｐについては、アスペクト比ａ／ｂが１を超えると、異方性鋼板の場合の値が等方性鋼板の場合の値を超える。これは、荷重Ｐが一定の場合について説明したのと同様に、長方形の短い辺の方向のヤング率が長い辺の方向のヤング率よりも荷重Ｐに与える影響が大きいためである。以上の解析結果より、変形量δが一定である場合、例えばアスペクト比ａ／ｂ≦０．５を応力低減効果がより高い領域として特定することができる。

上記で図７に示した荷重Ｐが一定の場合の解析結果ではアスペクト比ａ／ｂ≧２．０の領域が、図８に示した変形量δが一定の場合の解析結果ではアスペクト比ａ／ｂ≦０．５の範囲が、それぞれ応力低減効果がより高い領域として特定された。これらの範囲は、ａ，ｂのうち長い方の寸法が短い方の寸法の２倍以上である、という点で共通する。つまり、接合面の寸法ａ，ｂのうち長い方が短い方の２倍以上である場合、ｘ方向およびｙ方向のうちヤング率Ｅ_ｘ，Ｅ_ｙをより小さくする方向を適切に選択すれば、異方性鋼板を用いることによって大きな応力低減効果を得ることができる。

図９は、解析結果に基づいて応力低減効果とヤング率の変化率との関係を示すグラフである。グラフに示されるように、板状部材のアスペクト比ａ／ｂを１０に固定すると、応力Ｐが一定の場合、および変形量δが一定の場合の両方について、ヤング率の変化率ｋとｙ方向応力との関係はほぼ線形になる。従って、例えば図７および図８に示した解析結果から、任意のヤング率の変化率ｋの場合の結果を線形補間によって予測することができる。

ここで、例えば、溶接継手について、疲労寿命を２０％程度改善したい場合、局所応力を６％程度低減できればよい。この場合、板状部材のアスペクト比ａ／ｂに対してｘ方向応力の低減率が６％（縦軸の値で０．９４）以上になるように、異方性鋼板におけるヤング率の変化率ｋを決定することができる。例えば、図７のグラフを参照すると、アスペクト比ａ／ｂ≦０．５の範囲で、変形量δが一定であり、ｋ＝０．０５の場合に、ｘ方向の応力の低減率は６％以上になる。このとき、ｘ方向のヤング率Ｅ_ｘ（Ｅ_０×（１－ｋ）＝０．９５Ｅ_０）は、ｙ方向のヤング率Ｅ_ｙ（Ｅ_０／（１－ｋ）≒１．０５Ｅ_０）よりも約１０％小さい。ヤング率の差を大きくすれば、応力の低減率も大きくなるため、この例では、（アスペクト比ａ／ｂにもよるが）Ｅ_ｘがＥ_ｙよりも１０％以上小さい場合に応力の低減率が６％以上になるといえる。より好ましい範囲として、Ｅ_ｘがＥ_ｙよりも２０％以上小さくてもよいし、Ｅ_ｘがＥ_ｙよりも３０％以上小さくてもよい。

なお、上記の解析は、板状部材が矩形板状であり、かつｘ方向の両端およびｙ方向の両端でそれぞれ変位を拘束される場合について実施した。この場合、上述したように、板状部材のアスペクト比ａ／ｂとヤング率の変化率ｋとの関係を解析して適切な設計をすることが容易である。このような例は、具体的には、上記で図１を参照して説明した長手方向の両端が他の部材に接合されるＨ形断面部材のウェブの例、図５を参照して説明したリブが接合されるＨ形断面部材のウェブの例、および図６を参照して説明した角形鋼管の側面の例を含む。図６に示された角形鋼管は、断面が多角形の鋼管のうち４つの側面を有する多角形鋼管の例である。側面の数は３つ以上であれば特に制限されない。これ以外でも、同様の条件が成立する場合には上述のようなモデル化による解析および設計が可能である。

また、本発明の適用範囲は、図３および図４に示したようなモデル化が可能な溶接継手に限定されるものではない。接合面の面内の２つの方向の間でヤング率が異なる場合にヤング率がより小さい方向で応力が低減されるという効果は、部材の形状、および部材の各辺の拘束状態に限らず発揮される。従って、本発明の実施形態に係る溶接継手は、例えばＨ形断面部材のフランジや、円形鋼管の周面に他の部材を溶接によって接合する場合にも適用することができる。円形鋼管の場合、接合面の面内の第１および第２の方向は、それぞれ鋼管の長手方向および周方向に相当する。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内において、各種の変形例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１，１Ａ，１Ｂ…溶接継手、２…Ｈ形断面部材、２Ｆ…フランジ、２Ｗ…ウェブ、３…Ｔ形断面部材、４…ガセット板、５…リブ、６…角形鋼管、６Ｓ…側面。

Claims

互いに直交する第１の方向および第２の方向を面内方向とする接合面を有し、前記第１の方向における第１のヤング率が前記第２の方向における第２のヤング率よりも小さい第１の部材と、
前記接合面に接合され、前記接合面の面外方向の荷重を伝達する第２の部材と
を備え、
前記第２の部材は、前記第１の方向の寸法が前記第２の方向の寸法よりも大きい部材である、溶接継手。
前記第１のヤング率は、前記第２のヤング率よりも１０％以上小さい、請求項１に記載の溶接継手。
前記第１の部材は、前記第１の方向の両端、および前記第２の方向の両端でそれぞれ変位を拘束される矩形の板状部材であり、
前記板状部材の前記第１の方向の寸法および前記第２の方向の寸法のうち、長い方は短い方の２倍以上である、請求項１または請求項２に記載の溶接継手。
前記第１の部材は、ウェブおよびフランジを有し、長手方向の両端で他の部材に接合されるＨ形断面部材のウェブである、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の溶接継手。
前記第１の部材は、ウェブおよびフランジを有し、前記溶接継手を挟む長手方向の２箇所で前記ウェブおよび前記フランジがリブに接合されるＨ形断面部材のウェブである、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の溶接継手。
前記第１の部材は、３つ以上の側面を有し長手方向の両端で他の部材に接合される多角形鋼管の１つの側面である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の溶接継手。