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研 究 報 告 平 成 26 年 度 土 木 分 野 No.3 シート 状 セラミックヒーターを 用 いた 鋼 橋 の 補 修 溶 接 援 用 システムの 構 築 Development of assist system using sheet ceramic heater for repair welding of steel bridges 名 古 屋 大 学 助 教 廣 畑 幹 人 ( 研 究 計 画 ないし 研 究 手 法 の 概 略 ) 1. はじめに 近 年, 社 会 基 盤 構 造 物 の 劣 化 損 傷 が 顕 在 化 してきているが, 鋼 橋 においては, 腐 食 およ び 疲 労 が 劣 化 損 傷 の 主 な 要 因 となっている. 鋼 橋 の 腐 食 による 減 厚 および 疲 労 き 裂 に 対 す る 補 修 補 強 方 法 として,あて 板 などの 新 たな 部 材 を 接 合 する 工 法 が 用 いられることが 多 い. その 接 合 方 法 として, 現 状 ではボルト 接 合 が 採 用 されることが 多 いが,ボルト 接 合 では 健 全 部 に 穿 孔 する 必 要 があることや 施 工 後 の 重 量 が 増 加 するなどのデメリットがある.これに 対 し, 溶 接 の 適 用 が 考 えられるが, 既 設 構 造 物 への 溶 接 では, 死 荷 重 や 部 材 の 拘 束 の 下 で 溶 接 することとなり, 工 場 での 新 規 構 造 物 の 製 作 時 に 比 べ 溶 接 の 品 質 が 劣 る 可 能 性 がある. 本 研 究 では, 鋼 橋 の 補 修 溶 接 の 品 質 向 上 を 目 的 に, 補 修 現 場 においても 簡 便 に 使 用 できる シート 状 セラミックヒーターによる 溶 接 後 熱 処 理 を 行 うことを 検 討 した. 既 設 鋼 橋 の 部 材 へ の 補 修 溶 接 を 想 定 し, 荷 重 作 用 下 の 部 材 に 対 するあて 板 溶 接 を 行 い, 荷 重 が 作 用 したままで セラミックヒーターによる 溶 接 後 熱 処 理 ( 応 力 除 去 焼 鈍 )が 実 施 できるか 否 かを 検 討 した. さらに, 熱 弾 塑 性 による 溶 接 および 熱 処 理 のシミュレーションを 行 い, 熱 処 理 過 程 で 変 化 する 応 力 の 挙 動 を 明 らかにした. 2. およびシミュレーション 2.1 溶 接 施 工 供 試 体 を 図 -1 に 示 す. 高 さ200mm,フランジ 厚 12mm,ウェブ 厚 8mm の H 形 鋼 (SM400A)を 幅 100mmに 切 断 し,フランジに 取 付 け 用 のボルト 孔 を 設 けた.を 介 し て 高 力 ボルトのナットを 締 め 付 けることで 供 試 体 の 長 さ 方 向 に 一 定 の 荷 重 を 与 える 構 造 とし た. 荷 重 は 供 試 体 の 中 央 に 貼 付 けたひずみゲージの 値 により 管 理 した. 供 試 体 に500μのひず み( 応 力 100MPa 相 当 )を 付 与 した 状 態 で, 75mm 75mm, 板 厚 9mmのSM400Aをあて 板 とし, CO 2 半 自 動 溶 接 ( 電 流 120A, 電 圧 20V, 速 度 3.0mm/s)でH 形 鋼 のウェブの 中 央 にすみ 肉 溶 接 し た. 荷 重 の 方 向 と 一 致 する 供 試 体 長 さ 方 向 の2 辺 を 先 行 して 溶 接 し, 室 温 まで 冷 却 した 後 に 荷 重 に 直 交 する 方 向 の2 辺 を 溶 接 した. 溶 接 終 了 後, 荷 重 を 負 荷 したまま 供 試 体 にひずみゲージ を 貼 付 け,ボルトを 取 り 外 して 除 荷 し,ゲージ 周 辺 を 切 断 し 解 放 されるひずみから 残 留 応 力 を 測 定 した( 応 力 弛 緩 法 ). 一 方, 荷 重 を 負 荷 しないH 形 鋼 のみの 供 試 体 にも 同 様 にあて 板 溶 接 を 実 施 し 残 留 応 力 を 測 定 した. 2.2 応 力 除 去 焼 鈍 溶 接 終 了 後 の 供 試 体 に 対 し, 荷 重 を 負 荷 した 状 態 で 応 力 除 去 焼 鈍 するため,あて 板 周 辺 の みを 局 部 的 に 加 熱 できるシート 状 セラミックヒーター( 図 -2)を 用 いた. 供 試 体 に 熱 電 対 を 取 付 け, 応 力 除 去 焼 鈍 に 要 求 される 加 熱 冷 却 速 度 (425 以 上 の 領 域 で220 /hr 以 下 )および 1/5

保 持 条 件 (600 で1 時 間 保 持 )を 制 御 した 1). 2.3 熱 弾 塑 性 によるシミュレーション 有 限 要 素 法 に 基 づく 熱 弾 塑 性 により, 上 述 の 溶 接 施 工 および 応 力 除 去 焼 鈍 を シミュレーションした. モデルを 図 -3に 示 す. には, 汎 用 有 限 要 素 ソフト ABAQUS Ver. 6.13を 用 いた.8 節 点 ソリッド 要 素 を 用 いて 供 試 体 および 荷 重 載 荷 用 のをモ デル 化 した. 材 料 の 機 械 的 性 質 および 物 理 定 数 の 温 度 依 存 性 ならびに 応 力 除 去 焼 鈍 における 2, 高 温 クリープ 特 性 は 既 往 の 文 献 3) を 参 照 して 決 定 した. ではH 形 鋼 とは 剛 結 し, と 同 様,ボルトに 軸 力 を 負 荷 することでH 形 鋼 に 100MPaの 応 力 を 作 用 させた.その 状 態 から,あて 板 の 溶 接 を 模 擬 した を 実 施 した. 溶 接 金 属 に 相 当 する 入 熱 要 素 を 逐 次 生 成 する 機 能 により 熱 源 の 移 動 を 考 慮 し, 入 熱 要 素 に 溶 接 条 25 12 188 12 25 件 から 求 まる 物 体 熱 流 束 を 与 えた. あて 板 (SM400A) 一 方, 応 力 除 去 焼 鈍 の 過 程 については,ヒー 9 75 ターの 設 置 位 置 に 相 当 する 面 から 熱 流 束 を 与 え, で 供 試 体 に 熱 電 対 を 取 り 付 け 測 定 した 温 度 供 試 体 8 履 歴 を 再 現 できるように 熱 流 束 の 大 きさを 調 整 (H 形 鋼,SM400A) した. 固 定 軸 力 固 定 F10T, M16 後 行 先 行 溶 接 線 後 行 75 100 100 セラミックヒーター 固 定 軸 力 固 定 図 -1 供 試 体 単 位 : mm 断 熱 材 供 試 体 図 -2 セラミックヒーターによる 応 力 除 去 焼 鈍 H 形 鋼 供 試 体 溶 接 金 属 ( 入 熱 要 素 ) あて 板 軸 力 軸 力 溶 接 入 熱 Q=EI/v E: 電 圧 I: 電 流 v: 速 度 図 -3 熱 弾 塑 性 モデル 2/5

3. 結 果 およびシミュレーション 結 果 3.1 荷 重 作 用 下 の 溶 接 で 生 じる 残 留 応 力 および 熱 弾 塑 性 により 得 られた 溶 接 過 程 の 温 度 履 歴 を 図 -4に 示 す. 結 果 と 結 果 は 良 く 一 致 しており, 溶 接 過 程 の 熱 伝 導 状 態 が により 高 精 度 に 再 現 できている.ま た, 載 荷 用 のボルトの 温 度 はほとんど 上 昇 しておらず, 溶 接 中 に 載 荷 用 のボルトの 剛 性 が 低 下 し 荷 重 が 抜 けていることはないものと 判 断 できる. および 熱 弾 塑 性 により 得 られた 溶 接 残 留 応 力 の 分 布 を 図 -5に 示 す. 本 研 究 では, 拘 束 の 度 合 いがより 高 い 後 行 の 溶 接 線 に 対 し,これに 直 交 する 方 向,すなわち 荷 重 が 作 用 する 方 向 の 応 力 成 分 に 注 目 する. 後 行 の2 本 の 15 15 溶 接 線 1 溶 接 線 のうち, 最 後 に 溶 接 される 溶 接 線 の 熱 電 対 止 端 近 傍 の 残 留 応 力 を 示 している. 3 4 無 荷 重 の 場 合, 溶 接 止 端 から5mm 離 れた 2 1 位 置 には 約 174MPaの 引 張 残 留 応 力 が 生 じ 応 力 応 力 ていた. 荷 重 作 用 下 で 溶 接 した 場 合, 同 じ (100MPa) (100MPa) 位 置 での 残 留 応 力 は 約 277MPaとなってい 溶 接 線 2 15 15 た. 溶 接 終 了 後 に 除 荷 および 拘 束 を 解 放 す 熱 電 対 5: 載 荷 用 ボルトに 取 付 け (a) 熱 電 対 の 取 付 け 位 置 ると, 残 留 応 力 は 約 115MPaに 減 少 した. 1 2 3 4 5 無 荷 重 の 場 合 の 溶 接 残 留 応 力 に 比 べ, 荷 重 作 用 下 で 溶 接 した 場 合 の 除 荷 後 の 残 留 応 力 が 小 さくなった.この 理 由 は, 引 張 荷 重 作 用 下 の 溶 接 では, 冷 却 過 程 における 供 試 体 の 収 縮 が 拘 束 されるが, 溶 接 後 にこの 拘 束 を 解 放 すると 供 試 体 が 収 縮 し 圧 縮 応 力 が 作 用 するためと 考 えられる. 一 方, 荷 重 なし および 荷 重 負 荷 状 態 で 溶 接 した 場 合 の 残 留 応 力 および 除 荷 後 の 応 力 分 布 が 熱 弾 塑 性 解 析 により 精 度 良 く 再 現 できていることを 確 (b) 溶 接 線 1,2の 溶 接 時 認 した. 溶 接 線 3 溶 接 線 4 1 2 3 4 5 載 荷 方 向 あて 板 溶 接 部 荷 重 なし 荷 重 あり x 負 荷 H 形 鋼 ウェブ 除 荷 (c) 溶 接 線 3,4の 溶 接 時 図 -4 溶 接 過 程 の 温 度 履 歴 図 -5 溶 接 残 留 応 力 の 分 布 3/5

1 3 5 あて 板 載 荷 方 向 溶 接 部 H 形 鋼 ウェブ x 荷 重 なし 荷 重 あり 負 荷 除 荷 図 -6 応 力 除 去 焼 鈍 過 程 の 温 度 履 歴 図 -7 焼 鈍 後 の 応 力 分 布 3.2 荷 重 作 用 下 における 応 力 除 去 焼 鈍 の 適 用 性 応 力 除 去 焼 鈍 の 過 程 における 温 度 履 歴 を 図 -6に 示 す.シート 状 セラミックヒーターの 入 力 は, 溶 接 線 3および4の 止 端 から 約 10mm 離 れた 位 置 に 取 り 付 けた 熱 電 対 1および3の 温 度 により 制 御 した.これにより, 応 力 除 去 焼 鈍 に 必 要 な 温 度 履 歴 ( 加 熱 冷 却 速 度 :425 以 上 の 領 域 で 220 /hr 以 下,600 で1 時 間 保 持 ) 1) を 高 精 度 に 制 御 することができた.また, 載 荷 用 のボル トに 取 り 付 けた 熱 電 対 5から, 焼 鈍 中 のボルトの 温 度 は 最 高 約 320 であり, 焼 鈍 中 のボルト の 剛 性 の 低 下 はさほど 大 きくない 4) ことを 確 認 した. 一 方, 焼 鈍 の 温 度 履 歴 を 熱 弾 塑 性 に より 再 現 することができた. 焼 鈍 後 の 残 留 応 力 分 布 を 図 -7に 示 す. 無 荷 重 状 態 で 溶 接 した 供 試 体 を 焼 鈍 した 場 合, 残 留 応 力 は 約 30MPaに 緩 和 された. 応 力 100MPaに 相 当 する 荷 重 作 用 下 で 溶 接 し,そのまま 焼 鈍 した 供 試 体 には 約 71MPaの 応 力 が 残 留 した.その 後, 除 荷 および 拘 束 を 解 放 すると 応 力 は-13MPa 程 度 になった. 荷 重 作 用 下 での 応 力 除 去 焼 鈍 では, 溶 接 残 留 応 力 は 荷 重 の 影 響 を 受 けること なく 緩 和 されることが 分 かった. ( 調 査 によって 得 られた 新 しい 知 見 ) (1) 本 研 究 で 用 いたシート 状 セラミックヒーターを 適 用 することで, 既 設 構 造 物 の 補 修 溶 接 部 を 局 部 的 に 焼 鈍 できる 可 能 性 を 一 連 の 結 果 は 示 唆 していた. (2) 本 研 究 で 提 示 した 熱 弾 塑 性 によるシミュレーション 手 法 を 用 いることで, 対 象 となる 構 造 物 の 応 力 除 去 焼 鈍 に 必 要 な 入 熱 条 件 を 事 前 に 検 討 することができ,その 効 果 も 予 測 可 能 であることが 分 かった. (3) 既 設 構 造 物 の 補 修 では, 荷 重 および 拘 束 の 下 で 溶 接 および 応 力 除 去 焼 鈍 を 行 うことになる. 無 荷 重 の 場 合 の 溶 接 残 留 応 力 に 比 べ, 荷 重 作 用 下 で 溶 接 した 場 合 の 除 荷 後 の 残 留 応 力 が 小 さくなることを 示 した.この 理 由 は, 引 張 荷 重 作 用 下 の 溶 接 では 冷 却 過 程 における 供 試 体 の 収 縮 が 拘 束 されるが, 溶 接 後 にこの 拘 束 を 解 放 すると 供 試 体 が 収 縮 し 圧 縮 応 力 が 作 用 す るためと 考 えられる. (4) 荷 重 作 用 下 での 応 力 除 去 焼 鈍 では, 作 用 荷 重 による 応 力 は 除 去 されないが, 溶 接 残 留 応 力 は 荷 重 の 影 響 を 受 けることなく 緩 和 されることが 分 かった. 4/5

参 考 文 献 1) 日 本 規 格 協 会 : 溶 接 後 熱 処 理 方 法 JIS Z 3700,2009. 2) 金 裕 哲, 李 在 翼, 猪 瀬 幸 太 郎 :すみ 肉 溶 接 で 生 じる 面 外 変 形 の 高 精 度 予 測, 溶 接 学 会 論 文 集 第 23 巻 第 3 号,pp. 431-435,2005. 3) 西 原 利 夫, 平 修 二, 田 中 吉 之 助, 大 南 正 瑛 : 軟 鋼 のクリープ 限 の 簡 易 決 定 法, 日 本 機 械 学 会 論 文 集 ( 第 1 部 ) 第 24 巻 143 号,pp. 434-440,1957. 4) 古 平 章 夫, 藤 中 英 生, 高 田 司 : 高 力 ボルトの 高 温 時 及 び 加 熱 冷 却 後 の 強 度, 日 本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演 梗 概 集,pp.117-118,2000. ( 発 表 論 文 ) 廣 畑 幹 人, 伊 藤 義 人 : 荷 重 作 用 下 における 鋼 部 材 へのあて 板 溶 接 で 生 じる 残 留 応 力 および 応 力 除 去 焼 鈍 に 関 する 研 究, 応 用 力 学 シンポジウム2015,2015 年 5 月 ( 投 稿 中 ). 5/5