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技術 カバープレート

出願人 日本製鉄株式会社
発明者 横関耕一冨永知徳
出願日 2015年4月24日 (5年8ヶ月経過) 出願番号 2015-089227
公開日 2016年12月8日 (4年0ヶ月経過) 公開番号 2016-205023
状態 特許登録済
技術分野 橋または陸橋 建築構造一般 処理全般、補助装置、継手、開先形状
主要キーワード 有限要素解析モデル 最大応力σ 仮想円弧 変動応力 溶接脚長 残存板厚 傾斜角度φ グラインダー処理
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年12月8日)のものです。
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図面 (10)

課題

如何なる形状の本体部に対しても容易な加工で溝部を設けることができるものとして、特に、溶接ルート部での疲労強度を向上させることのできるカバープレートを提供する。

解決手段

本発明を適用したカバープレート1は、主部材5の片面又は両面の補強面5aに取り付けられるものであり、略板状に形成されて主部材5の補強面5aに溶接により取り付けられる本体部2と、主部材5の補強面5aに対向する本体部2の裏面側Aを切り欠いて設けられる溝部3とを備える。溝部3は、本体部2の表面側Bの溝底30で所定の残存板厚aを有するものであり、本体部2の短辺側の側辺22から所定の離間距離dで離間させて、本体部2の短辺側の側辺22に沿って形成される。

概要

背景

従来から、交通荷重、風、機械振動等の変動荷重が作用する鋼溶接構造では、最大作用力に対して破壊しないことともに、繰返し荷重により溶接部疲労破壊が起きないことも重要な性能である。主部材補強する目的等でカバープレート溶接接合によって設置することがあるが、その溶接部における疲労強度鋼構造物の疲労設計指針に定められるところによるG等級と低く、疲労破壊に対する設計を満たすために不経済な構造となることが多い。
隅肉溶接等の溶接箇所では、特許文献1に代表されるように表面形状の改善や圧縮残留応力の導入によって溶接止端部から発生する疲労亀裂を抑止する技術が確立されている。
また、特許文献2に開示されるようにカバープレートの形状を工夫することによる耐疲労性向上技術も考案されている。
特許文献2に開示されたカバープレート構造は、カバープレートの連結面部より薄い板厚とされた薄肉部を有して突出面部が形成されるため、連結面部に接続した支管からの応力主管に伝達されるときに、薄肉部が適度に変形して主管に対する応力集中を緩和させるものとなり、変動応力に対する耐疲労性を向上させることができるものとなる。

概要

如何なる形状の本体部に対しても容易な加工で溝部を設けることができるものとして、特に、溶接ルート部での疲労強度を向上させることのできるカバープレートを提供する。本発明を適用したカバープレート1は、主部材5の片面又は両面の補強面5aに取り付けられるものであり、略板状に形成されて主部材5の補強面5aに溶接により取り付けられる本体部2と、主部材5の補強面5aに対向する本体部2の裏面側Aを切り欠いて設けられる溝部3とを備える。溝部3は、本体部2の表面側Bの溝底30で所定の残存板厚aを有するものであり、本体部2の短辺側の側辺22から所定の離間距離dで離間させて、本体部2の短辺側の側辺22に沿って形成される。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

主部材の片面又は両面に取り付けられるカバープレートであって、略板状に形成されて主部材の補強面溶接により取り付けられる本体部と、主部材の補強面に対向する前記本体部の裏面側を切り欠いて設けられる溝部とを備え、前記溝部は、前記本体部の表面側の溝底で所定の残存板厚を有するものであり、前記本体部の側辺から所定の離間距離で離間させて、前記本体部の側辺に沿って形成されることを特徴とするカバープレート。

請求項2

前記溝部は、主部材に発生する主応力方向と略直交する方向で、前記本体部の側辺に沿って形成されることを特徴とする請求項1記載のカバープレート。

請求項3

前記溝部は、前記本体部の側辺が主部材の補強面に溶接される溶接箇所断面方向において、前記本体部の裏面側で前記本体部の側辺に溶融される溶接金属の一端側の溶接ルート部から、前記溝部の内側での前記溝底の内面に向けた接線が、前記本体部の裏面に対する傾斜角度θを30°以上、60°以下として形成されることを特徴とする請求項1又は2記載のカバープレート。

請求項4

前記溝部は、前記本体部の側辺が主部材の補強面に溶接される溶接箇所の断面方向において、前記溝部の内側での前記溝底の内面が略半円弧状に形成されるとともに、前記本体部の側辺から離間させた離間距離dが、下記(1)〜(7)式により規定される関係を満足することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項記載のカバープレート。ここで、d:前記溝部の離間距離、tb:主部材の板厚、tc:前記本体部の板厚、r:前記溝底の内面の曲率半径、θ:溶接ルート部から前記溝底の内面に向けた接線での前記本体部の裏面に対する傾斜角度、h:前記溝部の高さ、a:前記溝部の残存板厚、ν:鋼材ポアソン比とする。

請求項5

前記溝部は、前記本体部の側辺が主部材の補強面に溶接される溶接箇所の断面方向において、前記溝部の内側での前記溝底の内面が略半円弧状に形成されるとともに、前記溝底の内面の曲率半径rが、下記(8)式により規定される関係を満足することを特徴とする請求項1〜4の何れか1項記載のカバープレート。ここで、r:前記溝底の内面の曲率半径、tc:前記本体部の板厚とする。

請求項6

前記溝部は、主部材の補強面に露出させて主部材の補強面に溶融される溶接金属の他端側の溶接止端部に、所定の溶接箇所改善処理が施されることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項記載のカバープレート。

技術分野

0001

本発明は、主部材の片面又は両面に取り付けられるカバープレートに関する。

背景技術

0002

従来から、交通荷重、風、機械振動等の変動荷重が作用する鋼溶接構造では、最大作用力に対して破壊しないことともに、繰返し荷重により溶接部疲労破壊が起きないことも重要な性能である。主部材を補強する目的等でカバープレートを溶接接合によって設置することがあるが、その溶接部における疲労強度鋼構造物の疲労設計指針に定められるところによるG等級と低く、疲労破壊に対する設計を満たすために不経済な構造となることが多い。
隅肉溶接等の溶接箇所では、特許文献1に代表されるように表面形状の改善や圧縮残留応力の導入によって溶接止端部から発生する疲労亀裂を抑止する技術が確立されている。
また、特許文献2に開示されるようにカバープレートの形状を工夫することによる耐疲労性向上技術も考案されている。
特許文献2に開示されたカバープレート構造は、カバープレートの連結面部より薄い板厚とされた薄肉部を有して突出面部が形成されるため、連結面部に接続した支管からの応力主管に伝達されるときに、薄肉部が適度に変形して主管に対する応力集中を緩和させるものとなり、変動応力に対する耐疲労性を向上させることができるものとなる。

先行技術

0003

特開2006−167724号公報
特開2013−40551号公報

発明が解決しようとする課題

0004

ここで、特許文献1に代表される耐疲労性向上技術は、溶接止端部から発生する疲労亀裂の抑止効果があるが、溶接ルート部から発生する疲労亀裂の抑止効果は無く、溶接ルート部の疲労強度改善を可能とする技術の確立が必要とされていた。
また、特許文献2に開示されたカバープレート構造は、カバープレートの一部を薄肉化することで、変動応力に対する耐疲労性を向上させることができるが、薄肉部は構造部材として機能しないため、十分に耐疲労性向上効果が得られるように薄肉部を拡大したときに、部材及び溶接線長の増加とそれによる製作コストの増大を招きかねない。また、特許文献1による耐疲労性向上効果はその対象を溶接部全体としているが、対策技術が確立されていない溶接ルート部からの疲労亀裂に対象を絞った耐疲労性向上技術の確立が必要とされていた。

0005

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、その目的とするところは、如何なる形状の本体部に対しても、容易な加工で溝部を設けることができるものとして、溶接ルート部での疲労強度を向上させることのできるカバープレートを提供することにある。

課題を解決するための手段

0006

第1発明に係るカバープレートは、主部材の片面又は両面に取り付けられるカバープレートであって、略板状に形成されて主部材の補強面溶接により取り付けられる本体部と、主部材の補強面に対向する前記本体部の裏面側を切り欠いて設けられる溝部とを備え、前記溝部は、前記本体部の表面側の溝底で所定の残存板厚を有するものであり、前記本体部の側辺から所定の離間距離で離間させて、前記本体部の側辺に沿って形成されることを特徴とする。

0007

第2発明に係るカバープレートは、第1発明において、前記溝部は、主部材に発生する主応力方向と略直交する方向で、前記本体部の側辺に沿って形成されることを特徴とする。

0008

第3発明に係るカバープレートは、第1発明又は第2発明において、前記溝部は、前記本体部の側辺が主部材の補強面に溶接される溶接箇所の断面方向において、前記本体部の裏面側で前記本体部の側辺に溶融される溶接金属の一端側の溶接ルート部から、前記溝部の内側での前記溝底の内面に向けた接線が、前記本体部の裏面に対する傾斜角度θを30°以上、60°以下として形成されることを特徴とする。

0009

第4発明に係るカバープレートは、第1発明〜第3発明の何れかにおいて、前記溝部は、前記本体部の側辺が主部材の補強面に溶接される溶接箇所の断面方向において、前記溝部の内側での前記溝底の内面が略半円弧状に形成されるとともに、前記本体部の側辺から離間させた離間距離dが、下記(1)〜(7)式により規定される関係を満足することを特徴とする。
ここで、d:前記溝部の離間距離、tb:主部材の板厚、tc:前記本体部の板厚、r:前記溝底の内面の曲率半径、θ:溶接ルート部から前記溝底の内面に向けた接線での前記本体部の裏面に対する傾斜角度、h:前記溝部の高さ、a:前記溝部の残存板厚、ν:鋼材ポアソン比とする。

0010

0011

0012

0013

0014

0015

0016

0017

第5発明に係るカバープレートは、第1発明〜第4発明の何れかにおいて、前記溝部は、前記本体部の側辺が主部材の補強面に溶接される溶接箇所の断面方向において、前記溝部の内側での前記溝底の内面が略半円弧状に形成されるとともに、前記溝底の内面の曲率半径rが、下記(8)式により規定される関係を満足することを特徴とする。
ここで、r:前記溝底の内面の曲率半径、tc:前記本体部の板厚とする。

0018

0019

第6発明に係るカバープレートは、第1発明〜第5発明の何れかにおいて、前記溝部は、主部材の補強面に露出させて主部材の補強面に溶融される溶接金属の他端側の溶接止端部に、所定の溶接箇所改善処理が施されることを特徴とする。

発明の効果

0020

第1発明〜第6発明によれば、如何なる形状の本体部に対しても、容易な加工で溝部を設けることができるものとして、溶接箇所での疲労強度を向上させることが可能となる。

0021

第1発明〜第6発明によれば、溶接箇所での応力伝達方向が所定の傾斜角度を有するものとして、溶接ルート部での応力集中を回避させるものとなるため、溶接ルート部での疲労強度を向上させることが可能となる。

0022

特に、第2発明によれば、本体部の主応力直交方向においてのみ、本体部の短辺側の側辺に沿って溝部が形成されて、本体部の長辺側の側辺に沿って溝部が形成されないものとすることで、主部材に対して作用する力を、主部材から本体部まで長辺側の側辺を経由して十分に伝達させて、本体部による主部材の補強を確実なものとすることが可能となる。

0023

特に、第3発明によれば、溶接ルート部から溝部の溝底の内面に向けた接線が、特に、本体部の裏面に対する傾斜角度θを30°以上、60°以下とするものとなるように、本体部の裏面側に溝部が形成されることで、溶接ルート部での応力集中を確実に回避させることができるものとなり、溶接ルート部の疲労強度を著しく向上させることが可能となる。

0024

特に、第4発明によれば、溝部の内側での溝底の内面が略半円弧状に形成されるとともに、所定の残存幅の溝壁を形成させる溝部の離間距離の上限が、上記(1)式により規定される関係を満足することで、非補強箇所で主部材に発生した応力の一部を本体部に伝達させるときに、溝部の溝底での疲労亀裂の発生を防止することができるものとしながら、溶接箇所での応力伝達方向について、溝部の溝底に向けた指向性を向上させることが可能となる。

0025

特に、第5発明によれば、溝部の内側での溝底の内面が略半円弧状に形成されるとともに、溝底の内面の曲率半径が、上記(8)式により規定される関係を満足するものとなることで、溝部の溝底での疲労亀裂の発生を防止することができるものとしながら、溝部を形成するための加工量の増大を抑制して、溶接ルート部での応力集中を確実に回避させることが可能となる。

0026

特に、第6発明によれば、溶接ルート部での応力集中を回避させて溶接ルート部の疲労強度を向上させると同時に、溶接止端部に所定の溶接箇所改善処理を施して溶接止端部の疲労強度を向上させることで、溶接箇所の全体の疲労強度を著しく向上させて、溶接箇所での疲労亀裂の発生を防止することが可能となる。

図面の簡単な説明

0027

本発明を適用したカバープレートを示す斜視図である。
本発明を適用したカバープレートを示す平面図である。
本発明を適用したカバープレートを示す正面図である。
本発明を適用したカバープレートの本体部及び溝部を示す拡大正面図である。
本発明を適用したカバープレートで本体部に配分される応力を示す拡大正面図である。
(a)は、本発明を適用したカバープレートの応力伝達方向を示す拡大正面図であり、(b)は、従来のカバープレートの応力伝達方向を示す拡大正面図である。
本発明を適用したカバープレートの有限要素解析モデルを示す拡大正面図である。
(a)は、本発明を適用したカバープレートで溶接ルート部の各位置を示す拡大正面図であり、(b)は、溶接ルート部の各位置における内部応力を示すグラフである。
本発明を適用したカバープレートでσmax/σnとr/tcとの関係を示すグラフである。

実施例

0028

以下、本発明を適用したカバープレート1を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

0029

本発明を適用したカバープレート1は、図1に示すように、鋼板形鋼又は鋼管等の主部材5の片面又は両面に取り付けられるものであり、例えば、鋼板等の主部材5をさらに略平板状の鋼板で補強するために、主部材5の略平坦状に形成された補強面5aに取り付けられる。

0030

本発明を適用したカバープレート1は、主部材5の補強面5aに溶接により取り付けられる本体部2と、本体部2の裏面側Aを切り欠いて設けられる溝部3とを備えて、本体部2の側辺20が主部材5の補強面5aに隅肉溶接等により溶接箇所Wで固定されるものとなる。

0031

主部材5は、建築物土木構造物海洋構造物機械構造物の構造部材等として用いられるものであり、鋼板等の長手方向となる材軸方向で、主たる軸方向荷重Fとして、引張荷重又は圧縮荷重が作用する。このとき、主部材5は、図2に示すように、軸方向荷重Fによって材軸方向に主たる応力σが発生するものとなり、鋼板等の材軸方向が主応力方向Xとなる。

0032

本体部2は、略板状に形成された鋼板が用いられる。本体部2は、例えば、主部材5の鋼板等の材軸方向に延びる長辺側の側辺21と、主部材5の鋼板等の材軸直交方向に延びる短辺側の側辺22とを有して、略矩形状等に形成される。

0033

本体部2は、長辺側の側辺21が主部材5の主応力方向Xに延びて形成されて、主部材5の鋼板等の材軸方向に所定の長さ寸法Lを有する。本体部2は、短辺側の側辺22が主部材5の主応力方向Xと略直交する方向の主応力直交方向Yに延びて形成されて、主部材5の鋼板等の材軸直交方向で所定の奥行寸法Dを有する。

0034

本体部2は、図3に示すように、主部材5の補強面5aに取り付けられる補強箇所において、主部材5の補強面5aに対向する略平坦状の裏面2aが補強箇所の内側に配置されて、また、板厚方向Zで裏面2aの反対側となる略平坦状の表面2bが補強箇所の外側に配置される。

0035

本体部2は、主部材5の補強面5aに取り付けられるときに、補強箇所の内側に配置される本体部2の裏面側Aで、主部材5の補強面5aに本体部2の裏面2aを当接させるものとなり、又は、主部材5の補強面5aから本体部2の裏面2aを若干離間させたものとなる。

0036

溝部3は、主部材5の補強面5aに対向する本体部2の裏面側Aを切り欠くことで、本体部2の裏面2aから本体部2の内側に向けて板厚方向Zで凹状に設けられる。溝部3は、図2に示すように、主部材5に発生する主応力方向Xと略直交する主応力直交方向Yで、本体部2の短辺側の側辺22に沿って連続して形成される。

0037

溝部3は、本体部2の主応力方向Xに延びる長辺側の側辺21に沿って連続して形成させることもできるが、特に、本体部2の長辺側の側辺21に沿って形成されないものとすることができる。溝部3は、主応力直交方向Yの両端を本体部2の長辺側の両側辺21まで連続させて、本体部2の主応力直交方向Yのみで短辺側の側辺22と略平行に形成されるものとなる。

0038

また、溝部3は、本体部2の短辺側の側辺22に沿った主応力直交方向Yの一部の範囲のみで、連続的又は断続的に形成されてもよい。さらに、溝部3は、本体部2の短辺側の側辺22と略平行に形成される場合だけでなく、短辺側の側辺22に対して多少の角度を有するように傾斜させて形成される場合も、本体部2の短辺側の側辺22に沿って形成されるものとなる。

0039

溝部3は、図4に示すように、本体部2の裏面2aから板厚方向Zに切り欠かれることで、板厚方向Zに延びる溝側面3aが主応力方向Xの両側に配置されて、板厚方向Zで本体部2の表面側Bに配置される溝底30を有するものとなる。

0040

溝部3は、本体部2の表面側Bの溝底30で所定の残存板厚aを有する。溝部3は、本体部2の短辺側の側辺22から所定の離間距離dで溝側面3aを離間させることで、溝側面3aと本体部2の短辺側の側辺22との間に、所定の残存幅の溝壁31が形成されるものとなる。

0041

溝部3は、板厚方向Zで本体部2の表面側Bに配置される溝底30が、溝部3の内側で所定の曲率半径rを有する略半円弧状の内面形状で形成される。溝部3は、これに限らず、本体部2の表面側Bに配置される溝底30が、溝部3の内側で如何なる内面形状に形成されてもよい。

0042

溝部3は、略半円弧状の溝底30で所定の残存板厚aを有するものとなる最深部30aから本体部2の裏面2aまで、溝部3の内側での略半円弧状の内面形状の溝底30に溝側面3aを連続させて形成されるものとなり、板厚方向Zで所定の高さhを有するものとなる。

0043

溶接箇所Wでは、本体部2の短辺側の側辺22が主部材5の補強面5aに隅肉溶接等により溶接されることで、溶接金属4が設けられるものとなる。溶接箇所Wでは、主応力方向X及び板厚方向Zで切断した場合の切断面となる溶接箇所Wの断面方向において、本体部2の短辺側の側辺22から主部材5の補強面5aまで、溶接金属4が連続して設けられるものとなる。

0044

溶接箇所Wでは、本体部2の裏面側Aで本体部2の短辺側の側辺22に溶接金属4の一端側が溶融されて、溶接金属4の一端側に溶接ルート部40が形成される。また、溶接箇所Wでは、主部材5の補強面5aに溶接金属4の他端側が露出するように溶融されて、主応力方向Xで溶接ルート部40の反対側となる溶接金属4の他端側に溶接止端部41が形成される。ここで、溶接ルート部40は、本体部2の短辺側の側辺22と主部材5の補強面5aとが交わる箇所で、特に、溶接ルート部40の交点40aが形成されるものとなる。

0045

本発明を適用したカバープレート1は、溝部3の溝底30及び溝壁31で本体部2に必要な剛性耐力を確保させるものとして、溝底30で所定の残存板厚aを有するものとなるように溝部3が設けられて、また、本体部2の短辺側の側辺22から所定の離間距離dで溝側面3aを離間させて、所定の残存幅を有するものとなるように溝壁31が形成される。

0046

本発明を適用したカバープレート1は、図5に示すように、略板状の本体部2が所定の板厚tcを有するとともに、鋼板等の主部材5が所定の板厚tbを有する。例えば、本体部2の板厚tcは、9mm〜40mm程度のものとなり、また、主部材5の板厚tbは、9mm〜40mm程度のものとなる。

0047

本発明を適用したカバープレート1は、引張荷重又は圧縮荷重が主たる軸方向荷重Fとして主部材5に作用することで、本体部2を取り付けない非補強箇所で、主部材5に所定の応力σnが発生するものとなって、また、本体部2を取り付けた補強箇所で、主部材5に所定の応力σbが発生するとともに、本体部2に所定の応力σcが発生するものとなる。

0048

本発明を適用したカバープレート1は、非補強箇所で主部材5に発生した応力σnの一部が、本体部2と主部材5との間で溶接箇所Wを経由して相互に伝達されるものとなり、非補強箇所での主部材5の応力σnが、主部材5の板厚tb及び本体部2の板厚tcに対応して、補強箇所での主部材5の応力σbと本体部2の応力σcとに配分されるものとなる。

0049

このとき、本発明を適用したカバープレート1は、主部材5の補強面5aに本体部2が溶接により取り付けられて、非補強箇所の主部材5の応力σnが、補強箇所の主部材5の応力σbと本体部2の応力σcとに配分されることで、補強箇所での主部材5の応力σbを低減させたものとなり、主たる軸方向荷重Fに対して主部材5が本体部2により補強されるものとなる。

0050

本発明を適用したカバープレート1は、図6(a)に示すように、溝部3が本体部2の裏面側Aを切り欠いて設けられるものであり、非補強箇所で主部材5に発生した応力σnの一部が、溶接箇所Wから溝部3の溝底30を経由して、本体部2に伝達されるものとなる。

0051

このとき、本発明を適用したカバープレート1は、溶接箇所Wから本体部2の表面側Bの溝底30を経由して、非補強箇所での主部材5の応力σnの一部が伝達されるものとなり、主部材5の応力σnの一部を伝達させるときの溶接箇所Wでの応力伝達方向Tが、主部材5の補強面5aに対して所定の傾斜角度φを有するものとなる。

0052

本発明を適用したカバープレート1は、溶接箇所Wでの応力伝達方向Tが主部材5の補強面5aに対して所定の傾斜角度φを有するものとして、溶接箇所Wで溶接金属4の溶接ルート部40を経由する主部材5の応力σnが低減又は消滅するものとなるように、本体部2の短辺側の側辺22に沿って溝部3が形成される。

0053

これに対して、従来のカバープレート9は、図6(b)に示すように、本体部90の表面側Bから板厚を減少させて、本体部90の裏面側Aに薄肉部91が設けられるため、溶接箇所Wから本体部90の裏面側Aの薄肉部91を経由して応力伝達がなされるものとなり、溶接箇所Wでの応力伝達方向Tが、主部材92の補強面92aに対して所定の傾斜角度φ´を有するものとなる。

0054

このとき、従来のカバープレート9は、図6に示すように、溶接箇所Wでの応力伝達方向Tの傾斜角度φ´が、本発明を適用したカバープレート1の応力伝達方向Tの傾斜角度φよりも小さいものとなるため、溶接箇所Wで溶接金属93の溶接ルート部94を経由する応力伝達が低減又は消滅するものとならない。

0055

本発明を適用したカバープレート1は、溶接箇所Wで溶接金属4の溶接ルート部40を経由する応力が低減又は消滅することで、溶接ルート部40での応力集中を回避することができるものとなる。

0056

これにより、本発明を適用したカバープレート1は、溶接箇所Wでの応力伝達方向Tが所定の傾斜角度φを有するものとして、溶接箇所Wで溶接ルート部40を経由する応力が低減又は消滅することで、溶接ルート部40での応力集中を回避させるものとなるため、溶接ルート部40での疲労強度を向上させることが可能となる。

0057

また、本発明を適用したカバープレート1は、溶接箇所Wの溶接ルート部40での応力集中を回避できるものの、溶接止端部41での応力集中は回避できないため、溶接箇所Wの溶接止端部41に、グラインダー処理又は超音波衝撃処理(UIT)等の所定の溶接箇所改善処理が施されることが望ましい。

0058

ここで、超音波衝撃処理(UIT)とは、超音波衝撃処理装置の先端に取り付けられたピンを溶接止端部41に当てて、超音波振動による衝撃をピンから溶接止端部41に加えることにより、溶接止端部41の溶接残留応力を引張から圧縮に変化させて、溶接箇所Wでの溶接金属4の金属組織を改善させるものである。

0059

これにより、本発明を適用したカバープレート1は、溶接ルート部40での応力集中を回避させて溶接ルート部40の疲労強度を向上させると同時に、溶接止端部41に所定の溶接箇所改善処理を施して溶接止端部41の疲労強度を向上させることで、溶接箇所Wの全体の疲労強度を著しく向上させて、溶接箇所Wでの疲労亀裂の発生を防止することが可能となる。

0060

本発明を適用したカバープレート1は、図2に示すように、本体部2の主応力直交方向Yにおいてのみ、本体部2の短辺側の側辺22に沿って溝部3が形成されて、本体部2の長辺側の側辺21に沿って溝部3が形成されないものとすることで、主部材5に対して作用する力を、主部材5から本体部2まで長辺側の側辺21を経由して十分に伝達させて、本体部2による主部材5の補強を確実なものとすることが可能となる。

0061

本発明を適用したカバープレート1は、図7に示すように、溶接箇所Wの断面方向において、溶接箇所Wでの溶接ルート部40の交点40aから、溝部3の内側での溝底30の内面30bに向けた接線Cが、本体部2の裏面2aに対して所定の傾斜角度θとなるように形成されるものとなる。

0062

ここで、溶接箇所Wでの応力伝達方向Tの傾斜角度φは、接線Cの傾斜角度θと略一致するものとなるため、溶接ルート部40での応力集中を回避させることのできる接線Cの傾斜角度θを、有限要素解析(FEA)により求めるものとした。

0063

主部材5は、主応力方向Xの長さ寸法を400mm、主応力直交方向Yの奥行寸法を240mm、板厚tbを25mmとするとともに、本体部2は、主応力方向Xの長さ寸法Lを200mm、主応力直交方向Yの奥行寸法Dを200mm、板厚tcを22mmとして、主部材5の両面に本体部2を配置して、本体部2の裏面2aと主部材5の補強面5aとの間に0.1mmの隙間を設けて、溶接箇所Wは、溶接脚長Sを9mmとする隅肉溶接として、有限要素解析(FEA)の条件を設定した。

0064

また、溝部3は、本体部2の短辺側の側辺22からの離間距離dを8mm、溝底30の内面30bの曲率半径rを4.4mmとして、主応力方向Xに84N/mm2の軸方向荷重Fを作用させるものとした。溶接箇所Wでの溶接ルート部40は、実際の形状がシャープなノッチとなるが、解析において応力特異点の発生を避けるために、半径1mmの仮想円弧100(エフクティブノッチ)を設けた形状に仮定して、仮想円弧100の周囲のメッシュサイズを0.2mm、溝底30の内面30bの周囲のメッシュサイズを0.5mm程度とした。なお、本体部2及び主部材5は、鋼材の弾性係数を205kN/mm2、鋼材のポアソン比νを0.3とした。

0065

有限要素解析(FEA)の結果は、図8(a)に示すように、溶接ルート部40の仮想円弧100の周囲において、仮想円弧100の上方の位置P1、仮想円弧100の側方の位置P2、及び、仮想円弧100の下方の位置P3の各々で、接線Cの傾斜角度θに応じて絶対値の変動を生じる内部応力が発生することを示すものとなる。

0066

ここで、位置P1及び位置P3では、引張方向の内部応力が発生して、位置P2では、圧縮方向の内部応力が発生する。位置P1の内部応力は、図8(b)に示すように、接線Cの傾斜角度θを30°未満としたときに過大となるものの、接線Cの傾斜角度θを30°としたときに位置P2の内部応力と略一致して、接線Cの傾斜角度θを30°以上としたときに、著しく低減させたものとなる。

0067

位置P2の内部応力は、接線Cの傾斜角度θが大きくなるにつれて漸減する傾向にあるが、位置P1の内部応力と比較すると低減する割合があまり大きくならない。位置P3の内部応力は、接線Cの傾斜角度θを60°未満としたときに小さくなるものの、接線Cの傾斜角度θを60°としたときに位置P2の内部応力と略一致して、接線Cの傾斜角度θが60°を超えるときに過大となる。

0068

溶接ルート部40に発生する内部応力は、位置P1、位置P2及び位置P3での内部応力の総和から求められるため、接線Cの傾斜角度θを30°以上、60°以下としたときに、溶接ルート部40での応力集中が回避できる程度の大きさに低減させることができるものとなる。

0069

これにより、本発明を適用したカバープレート1は、図7に示すように、溶接ルート部40から溝底30の内面30bに向けた接線Cが、特に、本体部2の裏面2aに対する傾斜角度θを30°以上、60°以下とするものとなるように、本体部2の裏面側Aに溝部3が形成されることで、溶接ルート部40での応力集中を確実に回避させることができるものとなり、溶接ルート部40の疲労強度を著しく向上させることが可能となる。

0070

本発明を適用したカバープレート1は、所定の残存幅の溝壁31が形成されるものとして、本体部2の短辺側の側辺22から所定の離間距離dで離間させた溝部3が形成される。ここで、溝部3の離間距離dの下限は、溶接金属4が本体部2の裏面側Aから溝部3に噴出することのないように、溶接箇所Wの溶接脚長S程度の大きさ、又は、溶接の1パス最大値8mmとする。さらに、溝部3の離間距離dの上限は、下記(1)〜(7)式により規定される関係を満足するものとなる。

0071

0072

0073

0074

0075

0076

0077

0078

ここで、d:溝部3の離間距離、tb:主部材5の板厚、tc:本体部2の板厚、r:溝底30の内面30bの曲率半径、θ:溶接ルート部40から溝底30の内面30bに向けた接線Cでの本体部2の裏面2aに対する傾斜角度、h:溝部3の高さ、a:溝部3の残存板厚、ν:鋼材のポアソン比とする。

0079

また、本発明を適用したカバープレート1は、所定の残存板厚aで溝部3の溝底30が形成されるものとなるように、略半円弧状に形成された溝底30の内面30bの曲率半径rが、下記(8)式により規定される関係を満足するものとなる。

0080

0081

溝底30の内面30bの曲率半径rは、溝部3の高さhとの幾何学的関係により、下記(9)式、及び、上記(2)〜(4)式により規定される関係を満足するものとして算出される。なお、溝底30の内面30bの曲率半径rは、溝部3の高さhよりも大きくなる場合に、溝底30の内面30bが略半円形状とならないため、上記(3)式において、βに場合分けが生じるものとなる。

0082

0083

所定の残存板厚aを有する溝底30の平均応力σc´は、図5に示すように、主部材5の応力σbと本体部2の応力σcとが略同一になるものと仮定すると(σb≒σc)、下記(10)、(11)式により規定される関係を満足するものとして算出される。

0084

0085

0086

所定の残存板厚aを有する溝底30での最大応力σmaxは、平均応力σc´に応力集中係数αを乗じることで、下記(12)式により規定される関係を満足するものとして、非補強箇所での主部材5の応力σnとの関係から算出される。
なお、下記(12)式における応力集中係数αは、ノイバーが提唱した丸棒引張問題の応力集中係数算出式に基づき、上記(5)〜(7)式から算出される。

0087

0088

ここで、道路橋示方書によると、隅肉溶接による溶接箇所Wの疲労等級は、所定の溶接箇所改善処理が施された場合に最も高い疲労強度となり、鋼構造物の疲労設計指針に示されるD等級に分類される。このとき、溶接箇所Wで一定振幅疲労限度を下回らせるために、主部材5の応力σnを84MPa(一定振幅疲労限度応力)以下とすることが必要となる。これに対して、溝部3の溝底30の疲労等級は、機械切削面であるため、最も高い等級であるA等級に分類されて、溝底30で一定振幅疲労限度を下回らせるために、溝底30での最大応力σmaxを190MPa以下とすることが必要となる。

0089

即ち、上記(12)式において、σmax/σnは、190MPa/84MPa≒2.26以下に設定されることで、疲労等級がA等級の溝底30での最大応力σmaxが、確実に190MPa以下となるため、如何なる場合においても、溝底30で一定振幅疲労限度を下回るものとなり、溝部3の溝底30で必要な疲労強度が確保されて、溝部3の溝底30での疲労亀裂の発生を防止することができるものとなる。

0090

溶接ルート部40に発生する内部応力は、図7に示すように、接線Cの傾斜角度θを30°以上、60°以下としたときに、溶接ルート部40での応力集中が回避される。このことから、上記(12)式において、例えば、接線Cの傾斜角度θ=30°として、主部材5の板厚tb=25mmとした場合には、図9に示すように、本体部2の板厚tc=25mm(実線)、及び、本体部2の板厚tc=20mm(破線)の各々のケースについて、σmax/σnとr/tcとの関係が示される。

0091

このとき、溝底30の最大応力σmaxを確実に190MPa以下とするためには、σmax/σn≦2.26とする条件を満足させることが必要となることから、本体部2の板厚tc=20mmのときにr/tc≧0.08とすることで、σmax/σn≦2.26とする条件を満足させることができるものとなる。また、r/tcの上限を余りに大きくした場合は、溝部3を形成するための加工量が増大することから、r/tc≦1.0とすることが望ましい。

0092

このように、本発明を適用したカバープレート1は、溝部3の内側での溝底30の内面30bが略半円弧状に形成されるとともに、溝底30の内面30bの曲率半径rが、上記(8)式により規定される関係を満足するものとなることで、溝部3の溝底30での疲労亀裂の発生を防止することができるものとしながら、溝部3を形成するための加工量の増大を抑制して、溶接ルート部40での応力集中を確実に回避させることが可能となる。

0093

溝部3の溝底30での疲労亀裂の発生を防止するためには、上記(12)式において、σmax/σn≦2.26として、下記(13)式により規定される関係を満足することが必要となる。

0094

0095

このとき、溝部3の離間距離dは、上記(4)、(9)式を、上記(13)式に代入させることで、上記(1)式により規定される関係を満足するものとして、上記(1)式の収斂計算により求められるものとなる。なお、溝部3の離間距離dは、溶接箇所Wの溶接脚長S程度の大きさ、又は、溶接の1パスの最大値8mmを下限とするものであり、本体部2の許容応力と溶接箇所Wの許容応力とを略同等としたときに、溶接脚長Sの下限は、下記(14)式により規定される関係を満足するものとなる。ここで、L:本体部2の主応力方向Xの長さ寸法、D:本体部2の主応力直交方向Yの奥行寸法とする。

0096

0097

このように、本発明を適用したカバープレート1は、溝部3の内側での溝底30の内面30bが略半円弧状に形成されるとともに、所定の残存幅の溝壁31を形成させる溝部3の離間距離dの上限が、上記(1)式により規定される関係を満足することで、図7に示すように、非補強箇所で主部材5に発生した応力σnの一部を本体部2に伝達させるときに、溝部3の溝底30での疲労亀裂の発生を防止することができるものとしながら、溶接箇所Wでの応力伝達方向Tについて、溝部3の溝底30に向けた指向性を向上させることが可能となる。

0098

本発明を適用したカバープレート1は、図2に示すように、略矩形状に形成された本体部2が用いられるものであるが、これに限らず、略楕円形状等に形成された本体部2が用いられてもよい。本発明を適用したカバープレート1は、如何なる形状の本体部2に対しても、容易な加工で溝部3を設けることができるものとして、溶接箇所Wでの疲労強度を向上させることが可能となる。

0099

なお、上述した実施形態の説明では、主応力方向Xに延びる本体部2の側辺20を長辺側の側辺21とするとともに、主応力直交方向Yに延びる本体部2の側辺20を短辺側の側辺22とするものであるが、これに限らず、主応力方向Xに延びる側辺21が、主応力直交方向Yに延びる側辺22の長さ以下のものとされてもよい。

0100

以上、本発明の実施形態の例について詳細に説明したが、上述した実施形態は、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。

0101

例えば、本発明を適用したカバープレート1は、主部材5として鋼管等が用いられる場合に、主部材5の補強面5aが湾曲して形成されるものとなることから、略板状に形成された鋼板を湾曲させた本体部2が、主部材5の補強面5aに溶接により固定されてもよい。

0102

1 :カバープレート
2 :本体部
2a :裏面
2b :表面
20 :側辺
21 :長辺側の側辺
22 :短辺側の側辺
3 :溝部
3a :溝側面
30 :溝底
30a :最深部
30b :内面
31 :溝壁
4 :溶接金属
40 :溶接ルート部
40a :交点
41 :溶接止端部
5 :主部材
5a :補強面
100 :仮想円弧
A :裏面側
B :表面側
X :主応力方向
Y :主応力直交方向
Z :板厚方向

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