円孔設置による鋼床版垂直スティフナー取付け部の疲労耐久性の改善井上貴成 R １.研究の背景・目的鋼床版のデッキプレートと垂直スティフナーのすみ肉溶接部に数多 E くの疲労損傷が報告されている．当該箇所に対しての補修・補強方法 L 載荷板 W の一つとして，垂直スティフナーに半円孔を設け，デッキプレートの面外曲げ変形に対する拘束を緩和し，疲労き裂の起点となる溶接止端部の応力を低減させる方法が提案されている．この方法の効果が高いスティフナーことはいくつかの研究によって確かめられているものの，半円孔の施デッキプレート工は多少困難とも考えられる．そこで，半円孔ではなく，垂直スティ図 1 試験体図デッキプレートル試験体の応力測定試験，疲労試験と応力解析を行う．なお，最適化 O30 / の検討に際しては，有効切欠き応力の概念を用いる． No.1, No.3 No.2 図 2 円孔位置図 1 に示す形状・寸法の試験体 3 体を用いて，応力測定試験と疲労 0 試験を行った．なお，試験体 1 体で 2 箇所の着目点があるので L・R 2 応力(N/mm ) で区別した．図 2 に示すように，各試験体の垂直スティフナーに直径験体については，ホールソーで円孔をあけたままである．スティフナー O30 / 15 30 ２.応力測定試験と疲労試験目的で円孔壁面を#120 の砥石を用いて仕上げている．No.1 と No.2 試デッキプレートスティフナー 30 本研究では，円孔の寸法と位置を最適化することを目的とし，モデ 30 ることを考えた． 30mm の円孔を設けた．なお No.3 試験体は，表面粗さの影響を調べる (単位：mm) 橋軸方向フナーに円孔をあけて，デッキプレート側溶接止端部の応力を緩和す円孔なし No.1 No.2 No.3 −50 −100 応力測定試験は 20kN の静的荷重載荷時に行った．応力測定試験結果を図 3 に示す．円孔なしの値は No.1 試験体で円孔を設置する前に測 −150 定したものである．円孔を設置することで溶接止端部の応力は低減している．No.2 試験体に比べ No.1，No.3 試験体での応力の低減が大きい．これは No.1，No.3 試験体の円孔がこば面から深い位置にあったた 0 5 溶接止端からの距離(mm) 10 図 3 応力測定試験結果（L・R 平均）めと考えられる． AW−L AW−R 疲労試験は荷重範囲 30kN（下限荷重 1.0kN），繰返し速度 5.0Hz とし行い，試験体表面の疲労き裂を観察した．No.1，No.3 試験体では円孔壁面からき裂が発生し，デッキプレートまで進展したが，溶接止端部からのき裂は生じなかった．No.2 試験体では溶接止端部と円孔壁面の両方からき裂が発生し，進展した．その様子を写真 1 に示す．円孔壁 100 き裂長さ(mm) て行った．疲労試験中は所定の荷重繰り返し数ごとに磁粉探傷試験を No.1−L No.1−R No.2−L No.2−R No.3−L No.3−R AW:円孔なし 50 面を砥石で仕上げた No.3 のき裂発生寿命は，穴をあけたままの No.1 試験体の 1.5 倍程度（30 万回と 50 万回）であり，仕上げの効果が認められた．デッキ側溶接止端部で観察した疲労き裂の長さと荷重繰り返し数の関係を図 4 に示す．円孔なし（AW）のデータは数年前に当研究 0 0 100 200 300 荷重繰り返し回数(万回) 図 4 き裂進展曲線 400 室で得られたものである．円孔を設置することで疲労き裂の進展が遅くなっている． 10 デッキプレートスティフナー円孔壁スティフナー D デッキプレートスティフナー溶接止端写真 1 疲労き裂観察例(No.2) 図 6 有効切欠き応力と円孔径 D の関係３.疲労耐久性に対する円孔の位置・寸法の影響図 5 に示すように円孔の位置を H・V，寸法を D で定義し，それら 0 をパラメータとして，疲労き裂の発生が予想される溶接止端部と円孔 V=30mm とした．有効切欠き応力を求める位置近傍の要素寸法は 0.15mm である．図 6 に有効切欠き応力と円孔径 D の関係を示す．その際，円孔は半円形とし，デッキプレート下面から半円孔端部までの距離は 10mm で 2 D は 30, 40, 60, 80, 100mm，H は 0, 10, 15, 20, 30mm，V は 30, 40, 50mm 有効切欠き応力(N/mm ) 壁面の有効切欠き応力を 3 次元弾性有限要素応力解析により求めた． D20 D30 D40 −200 −400 −600 一定としている．図 7 は有効切欠き応力とこば面からの距離 H の関係，図 8 は有効切欠き応力とデッキプレート下面からの距離 V の関係を示 −800 したものである．No.2 試験体において溶接止端部と円孔壁面から同程度の大きさのき裂が生じたことから，この場合の溶接止端部と円孔壁 0 10 20 こば面からの円孔中心位置(mm) 30 図 7 有効切欠き応力と面の疲労強度は同程度になると考え，溶接止端部の有効切欠き応力をこば面からの距離 H の関係円孔壁面の有効切欠き応力に換算したものも各図に示している．溶接止端部の有効切欠き応力は D が大きく，H が大きく，V が小さいほど 0 低くなっている．一方，円孔壁面で 2 有効切欠き応力(N/mm ) の有効切欠き応力は，D が小さく， D=40mm,H=20mm デッキプレート H が大きく，V が小さいほど高くな V っている．換算した溶接止端部の有スティフナー効切欠き応力と円孔壁面の有効切欠き応力が交差する場合に，両者の疲 D H 労強度が同値となるため，最も効果的な補修と考えられる．図 5 パラメータ４.結論直径 40mm の円孔をデッキプレート下面から 30mm，こば面から 6mm の位置に設置するとよい．これにより疲労強度は 1.2 倍に改善される． −200 −400 −600 −800 30 40 デッキ下面からの円孔中心位置(mm) 50 図 8 有効切欠き応力とデッキプレート下面からの距離 V の関係