４ 文 Ｒ０ 論 Ｄ仰 ︲ 会 塑 Ｓ 学Ｊト ︲ 木ｆ ｏｌ 農 業 上 Trans N0230,pp 集 E 4) 拡径接合 工 法 に よる鋼 管継 手部 の耐力 と止 水性 能 の評価 長束 勇 * 石村 英 明 ネ 渡 嘉敷 勝 ネ 充広 森 * 川 口周 作 ** 羽 上 田裕 章 *ネ ホ (独)農 業工学研究所,〒 305-8609 茨城県つ くば市観音台 2 ‐ 1‐ 6 料新 日本製鐵株式会社,〒 100-8071 東京都千代田区大手町 2 ‐ 6‐ 3 要 日 鋼 管敷設 の大幅 な施 工性 の 向上 を 目的 と して , 鋼 の延性 ・靭性 お よび ゴムの 弾性 を活 用 した構 造 を特長 とす る 拡径接合 工法 を考案 した そ こで , 呼 び径 8 0 0 m m の 実物 大供試 体 を用 いて , 本 工法 に よる継 手部 の 耐力 と止水 性 能 を評価す るた めの室 内試験 を行 つた 試 験 に用 い た供試体 の 拡径接合 量は, F E M 解 析 に よる耐力評 価 シ ミ ュ レー シ ョンに よ り 1 7 5 m m と し, 介 在 させ る止水 ゴム厚 さは, 平 板 止 水性 能試 験 の結果 か ら 3 m m と した 選 定 した仕様 の拡径接合継 手部 は, 曲 が り角度 4 5 °の ス ラス トカ , レベ ル 1 の 地震力 に対抗 で きる耐力 を有 し, 扁 平率 が 7 % と な る扁 平力載荷 , 曲 げ角度 が 1 0 °とな る曲げ力載荷 , 地 震 時変位 の 2 倍 とな る繰 り返 し軸 力載 荷 の各状態 にお いて も, 1 0 M P a 以 上 の止 水性能 を有す る もので あ った キ ー ワー ド : 鋼 管 , 拡 径接 合, 耐 力, 止 水性 能, F E M 解 析 1.は じめ に に , モ ル タル の 強度 発現 に数 時間 を要す る課題 が あ る. 筆者 らは , この 拡径接 合 方式 に ゴム 円筒 を装 着す る工 農 業用 パ イ プ ライ ン と して使 用 され て い る鋼 管 の接 合 方 式 は ,配 管全 体 を一 体化 させ る溶 接継 手 が 一 般 的 で あ る そ の継 手部 の耐力 や止 水性 な どの品質確保 のた めに 夫 ( 長束 ら, 2 0 0 2 ) を 加 え, 止 水性 を確保 で きる工法 と す るた めの研 究 開発 を進 めて きた 本 稿 で は , 開 発 した 拡径 接 合 工 法 に よる継 手音F の耐 力 お よび止水 性 能 の 評価 は ,据 付 ,溶 接 ,非 破 壊検 査 ,塗 覆 装 とい つた 所 要 の工 程 ,工 期 が必 要 で あ り, さ らに,溶 接 や 非破壊 検 査 には を 目的 と して行 った 室 内試験結 果 を報 告す る 熟練 した技能 者 が必 要で ある。また,雨 天や 強風 時 には , 2 拡 径 接 合 工 法 の 概 要 と予 備 試 験 溶 接 の た めの防 護 策 を取 らな けれ ば な らな い 一 方 ,都 市部 での道 路 下埋設 管 の保護 管 と して先行埋 設 され る鞘 21開 管 な どで は ,即 日復 旧を 目的 と して ,鋼 管端部 を重 ね合 わせ た 状 態 で 重複 部 の 円周 を押 し広 げて拡径 し,そ の機 械 的接 触 力 で接 合す る拡径 接合 方式 が採 用 され て い る 発 した拡径 接 合 工 法 開発 した拡径接 合 工 法 は , 端 部 に所 定幅 の ゴム 円筒 を 装 着 した挿 込 み側 の鋼 管 ( 内管 ) を , 装 着 した ゴ ム 円筒 の外 径 よ りわず か に大 き く端部 を ノケ ッ ト状 に拡 径 した しか し,仮 設 の 保護 管 と しての機 能 は あ る ものの ,止 水 性 が確保 で きな い とい う問題 点 が あ る そ こで ,服 巻 ら (1998)は ,こ の鋼 管 の延性 ・靭性 を 鋼 管 ( 外管) に 挿 込 み , 管 内 に挿 入 した 拡径 装置 を用 い て 重 ね 合 わせ 部 を所 定 の 突 出高 に塑性 変形 させ て接 合す 活用 した拡径 接合 方式 の 耐力 を調 べ る 目的 で ,外 鋼 管 (内 径 116 3mm,外 径 124.5mm)と 内鋼 管 (内径 105 3mm, 工 場 出荷 時 に拡径 され た鋼 管受 日 ( ソケ ッ ト) と ゴム 円 筒 が 装着 され た鋼 管挿 日 とを現 場 で挿 し込 み , 管 内面 か ら F i g . 2 に示す拡径 装置 を用 いて 部分拡径 す る そ の結果 , 外径 114 3mm)を 同時 に拡径 した供試 体 の 押 し抜 き試験 を実施 し,接 合 拡径 量 と最 大耐力 の 関係 を明 らか に して い る ま た ,止 水性 能 を付 与す る 目的 で ,外 鋼 管 の み を る もので あ る。そ の接 合 手順 と拡径 時模 式 を F i g , 1 に示す 内管外 面 と外 管 内面 が比 較 的小 さな 曲率 の 曲面で 接触 し 互 い を拘 束す るた め, 継 手部 の抜 け出 し, 押 し込み の双 拡 径 し,内 鋼 管 との 隙 間部 に膨 張性 モル タル を注入 す る 工 法 を提案 して い る.さ らに,羽 上 国 ら (1998)は ,軸 力 載荷 にお け る拡径 接 合部 の 挙動 を調 べ る こ とを 目的 と して ,非 線形性 を取 り入れ た FEM解 析 に よ り軸耐力 と軸 方 向変位 の 関係 をシ ミュ レー シ ョン してい る こ れ らの 一連 の 研 究 に よ り,簡 易 な作業 で現 場施 工能 率 を高 めた 接 合構 造 が確 立 され て い る し か し, こ の接合構 造 は , 継 手部 の止 水性 を膨 張性 モル タル の膨 張圧 に依 存 してい るた め ,膨 張性 モル タル の 品質管理 が 重 要 とな る と とも 農土論集 2 3 0 ( 7 2 2 ) コム円筒 圏 醐 銃 鏑 ,路 出 ￨ F じ 1 接 合 手順 と拡径 時模 式 Joint proccss&Mcthod to expand 233 農業土木学会論文 集第 230号 (第 72巻 第 2号 ) 母 奮 Fig,2 拡 径装置 Machine for pipe end cxpandedjoint 方 を防止 す る軸 耐力 が生 じる ま た , そ の接 触 面 とな る 内管外 面 に装着 した止 水 用 の ゴム 円筒 ( 以降 , 止 水 ゴム) を介在 させ た 状 態 で拡径 接 合す る こ とか ら, 止 水 ゴム が 圧縮 され , 管 内水 を止水す る 22実 F i g . 3 予備 試 験 装 置 の 概 要 Apparatus of prctcst 物大 予備試験 予備 試験 は , 拡 径接 合部 に軸力 を作用 させ , 引 張耐力 , 圧 縮耐 力 , お よび 引張 ま た は圧縮 に よる継 手部 の 変位 時 にお け る止 水性 能 に関す る基礎 デ ー タを取 得 す る 目的 で 実施 した 供試 体 は, 管 長 6 0 0 m m , 呼 び径 8 0 0 m m ( 以 降, 8 0 0 A と 表記 ) の 2 本 の鋼 管 を拡径接 合 して 1 , 0 0 0 m m と し た もの で あ り, 鋼 管 , 止 水 ゴムの材 料 仕 様 お よび拡径 仕 様 は, T a b に 1 の とお りで あ る。また , 試 験装 置 の概 要 は , F i g , 3 のとお りで あ る. な お, 止 水性 能 を確認 す るた めの 内水圧 の上 限 は , 土 地 改 良事業 計 画設 計 基 準 設 計 パ に戻す 漸増繰 り返 し載荷 ,そ の 後 は 目標 変位 を順次 20mm 増 とす る単純増加 載 荷 を行 う)③ 所 定 の 目標 変位 に達 し た時点で ,変 位 を保 持 した状態 で ,内 水圧 を 0.5,10MPa と 2段 階 に昇圧負 荷 し,各 2分 間 の保 持 時間 をお く,④ 漏水 が認 め られ た 場合 は ,内 水圧 を一 定 に保持 した上 で , 漏 水 を脱 脂 綿 に 吸水 させ 漏水 量 を測 定す る,⑤ 革純増加 載荷 は ,耐 力 の ピー ク,内 水圧保 持 限界 が 確認 で きるま で継続す る イ プ ライ ン ( 以降 , 設 計 基 準) に お いて 示 され た継 手 の 予 備 試 験 の 結 果 は ,次 の とお りで あ っ た .① 内水 圧 10MPaを 負 荷 して も漏水 が生 じない変位 量 は,抜 け出 し 水密性 能 の 目安 ( 農林水 産省 構 造 改善 局 , 1 9 9 8 ) を 参 考 として , l o M P a に 設 定 した 抜 け出 し変位 の場合 は 目標変位 5mm,10mmか 試験の手順は, 次 の とお りとした ① 供試体内に水を 充填す る, ② アクチ ュエ ー タによ り変位制御方式 で 引張 荷重または圧縮荷重 を与 え, 抜 け出 し変位 または押 し込 み変位 が 3 0 m m に 達す るまでは, 順 次, 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 1 0 , 2 0 , 3 0 m m の各 目標変位 を生 じさせた後に変位 を O m m Table l 鋼管,止 水 ゴムの材料仕様お よび拡径仕様 Matcrlal spcclacatiOn and cxpanding condi3o■ ofcxpandedjoint 変位 で 70mm,押 し込 み変位 で 110mmで あ った た だ し, ら変位 を Ommに 戻 す 際 に ,押 し込 み変位 の場合 は 目標 変位 10mm, 20mm,30mmか ら変位 を Ommに 戻す 際 に ,許 容漏水 量 程 度 の漏 水 がみ られ た。 したが って ,止 水 ゴムの 仕様 に つ いて は検討 が必 要 で あ る ことが判 明 した ② 引張耐力 , 圧 縮 耐力 の ピー ク (以降 ,極 限耐 力 )は ,前 者 は 変位 量 26mmに お いて 437kN,後 者 は変 位 量 86mmに お い て 744kNで あ った こ の 両者 の 耐力 の 相違 は ,外 管 の ソケ ッ ト長 ,拡 径接 合位 置 な ど本拡径 接 合 の仕 様 に起 因す る と考 え られ た 引 張極 限耐力 が発 生す る変位 量 26mm時 種 別 雛 項 234 は ,内 管 の 峰部 と外 管 の 峰部 が接 触 して軸 力伝 達 が 行 わ 聞P【購 ヤング率 210× 10MPa 降伏応力 3雌 ×lmm 内管外面 エポキツ軍さ05111m 07mm 内管 の 峰部 と外 管 の ツケ ッ ト拡径 最 奥 部 が 接 触 して 軸力 07111111 伝 達 が行 われ て い る状 態 と考 え られ た ③ 継 手部 に作 用 した軸力 と変位 量 の 関係 を示す履歴 曲線 は ,引 張,圧 縮 G71mlm) 外管内面 エポキン享さ0 5rlm わ傾 N〕R,硬 度ω ±5 サ 享さ lllln3 れ てい る状 態 と考 え られ るの に対 し,圧 縮極 限耐 力 が発 生す る変位 量 86mm時 は ,挿 込 み量 は 2-で その中間の lt10-の 位置で拡径接合 していることから峰部での接合は外れ 1肺 11 5rnrn の いずれ の場合 も,極 限耐力 のほぼ 1/2の軸 力載荷 時点 ま で は直線 的 で軸 力 と変位 量 が比 例 関係 にあ るが,そ れ 以 薙 15mm 14 7111nl 降 は極 限耐力 時点 を頂 点 とす る上 に凸 の放 物線 状 で あ っ 挿込み量 2価 191 3rlnl た。したが って ,極 限耐力 のほぼ 1/2の軸 力載荷 時 点が弾 ソケ シ H歯 径量 雄 鄭 値 れ傾 襲 止水 ゴム 規格または目標値 目 Trans 」SIDRE Apr 2004 拡 径接 合 工 法 に よる鋼 管継 手 部 の耐 力 と止水性 能 の評 価 性 限界耐力 を示す 時点 と推 定 され た には ス ラ ス トカ お よび地震 力 に弾性 限界耐 力 で対 抗 す る 耐力 が要 求 され る もの と設定 した し た が って , 8 0 0 A の 3_拡 径 接 合 構 造 の 検 討 場合 , 各 曲が り角度 2 2 5 ° , 4 5 °, 9 0 °にお け る 目標 極 限耐 31必 力 は , そ れ ぞれ 4 1 8 k N , 4 5 3 k N , 9 4 8 k N に 設 定 した 312耐 力評価 シ ミュ レー シ ョン 要接 合拡径量 の検 討 予備 試 験 に よ り, 一 定 の 拡径 接 合仕 様 条件 にお け る継 手部 の 軸耐 力 を把握 した 本 工 法 を農 業 用 パ イ プ ライ ン 継 手部 の 耐力 を評価 す る方 法 と して は , ① 多数 の試験 を通 して 経 験 的 に評価 す る方法 , ② 妥 当な解 析法 を構 築 に適 用す るた めには , 種 々 の敷設 条件 に応 じた必 要接 合 し評 価 す る方法 , が 考 え られ る し か し, ① の 方 法 は , 拡径 量 を検討 す る必 要 が あ る。 す な わ ち, 接 合拡径 量 を 試 験所 要 時 間, 試 験 経 費 の 面で制約 が あ る そ こで , ② 増 せ ば , よ り大 きな耐 力 が 得 られ る と想 定 され るが , ① の 方 法 に よ り目標 極 限耐力 を満 足 で き る拡径 量 を追求す 接 合 拡径 量 の増 に よる内管端部 の 内折れ 現象 ( 服巻 ら, る こ とに した . 1 9 9 8 ) を 防 止 す るた めには挿 込み 量 を増 す必 要 が あ り, 不経 済 とな る こ と, ② 工場 で既 に施 され て い る鋼 管用 の 本 拡径 接 合 の構 造解 析 にお い て は , 材 料 の 非繰 形性 , 境 界 の 非線形性 ( 接触 ・剥離) , お よび大変形 問題 を内在 塗覆 装材 料 の 引張強 さを超 え る変形 は塗覆 装 を傷 め , 現 す る こ とか ら, 理 論解 を積 み 上 げて い く方 法 は困難 が予 場 での再塗 装 が必 要 とな る こ と, とい つた 問題 が発 生す るた め , 必 要最 小 限 の接 合 拡径 量 とす べ きで あ る とい う 背景 が あ る そ こで , 予 備 試 験デ ー タを も とに , 自標 耐 想 され た そ こで , 近 年 , 発 達 が 著 しい F E M 解 析 を用 い て耐 力 評価 シ ミュ レー シ ョン を行 うこ とに した。 また, 力 を設 定 し, 耐 力評価 シ ミュ レー シ ョンを行 う, との 手 順 で必 要接 合拡径 量 を検討 した るか否 か に よ り評価 す る こ とに した F E M 解 析 に用 いた解析 ノル バ ー は汎用有 限要素 法 プ ロ 311目 グラ ム M A R C ( バ 標 耐 力の設 定 農 業 用 パ イ プ ライ ンの継 手部 に要 求 され る軸方 向 の 外 力 と して , ス ラ ス トカ , 地 震力 を算 定 し, こ れ らの うち 大 きい 方 を弾性 限界 耐力 内で対抗 で き るよ う, 目標 耐力 を設 定す るこ とと した そ の解 析 の 妥 当性 に つ いて は , 予 備 試 験結 果 を再 現 で き ー ジ ョン K 7 3 ) で あ り, プ レポ ス ト処 理 には M E N T A T を 用 いた。また , 鋼 管 の材 料 モ デル は移 動硬 化 弾塑性 体 と し, 降伏 条件 は V b n _ M i s c s の条件 と した 止 水 ゴムの材 料 モ デ ル は亜弾性 体 と し, 内 管 ―外 管 間 に ス ラ ス トカ に関 しては , ( 内 水圧 ) × ( 受圧 投影 面積 ) 摩 擦 力 を導入 した 解 析 の範 囲お よび 境 界 条件 は , F i g . 4 の とお りで あ り, ロ ー ラ支承 の 条件 は鋼 管 の 半径 方 向 ( 拡 で表 され る引 き抜 き力 と曲が り部 の 背 面上圧 に よる引 き 径 方 向) の み 自由で , 他 の 軸 方 向 , 周 方 向 , 回 転 は固定 抜 き阻 止 力 の 差 を継 手部 の必 要耐力 と し, 設 計基 準 に示 され た ス ラス トカ の検討 ( 農林水産省構 造 改善局 , 1 9 9 8 ) と した 解 析 にお け る載荷 方法 は F i g . S に示 した , ① ソケ ッ ト拡径 i ソ ケ ッ ト拡径 シュー ( 幅 2 0 0 m m の 剛体 ) に 与 に準 じて求 めた 。8 0 0 A に お い て , 目標 とす る内水圧 が 1 0 M P a の 場 合 の必 要 耐力 は , 曲 が り角度 が 2 2 . 5 °で は え る半径 方 向 の強制変位 ( 1 1 5 m m ) , ②接 合 拡径 : 接 合拡 径 シ ュー ( 半径 1 0 0 m m の 剛体) に 与 え る半径 方 向 の 強制 9 4 k N , 4 5 ° で は 2 2 6 k N , 9 0 ° で は 4 7 4 k N と 算 出 され た 変位 ( 1 4 7 m m ) , ③引張 また は圧 縮 の 軸力載 荷 : 内 管端 に 予備 実験 にお け る拡径 接合 仕様 で は , 引 張極 限耐力 で対 抗す る場合 は 曲が り角度 4 5 °以 下, 引 張弾性 限界耐 力で 与 え る強制変位 , の 手順 と した F i g . 6 は , 大 気 中 の硬鋼 と硬 質 ゴムの 乾燥摩 擦係 数 ( 機械 設 計 便 覧編 集委 員会 , 対抗す る場合 は 曲が り角度 2 2 5 ° 以 下で, 安全率 1 5 以 上 1 9 7 3 ) を参 考 として , 摩 擦係数 を 0 3 と した場 合 の継 手部 を確保 で きる との結果 とな つた 変位 量 と引張力 の 関係 に つ いて , 解 析 結果 を予備 試 験結 果 と合 わせ て示 した もので あ る 弾性 域 の 挙 動 , 耐 力値 , 地震 力 に関 して は, 継 手部 を弾性 バ ネ と仮 定 し, 継 手 部 お よび管体部 か ら構 成 され る管路 の 全 体 バ ネ係 数 ( 継 手部 バ ネ係 数 の 逆数 と鋼 管 の ヤ ング率 か ら算 出 され るバ ネ係 数 の 逆数 の 和 が , 全 体 バ ネ係 数 の 逆数 にな る) を 算 定す る こ とに よ り検討 した 。具 体 的 には , 水 道施 設 耐震 工 法指針 ・解説 に計算例 ( 社団法人 日本水道協会 , 1 9 9 7 ) と して示 され た軟弱 地盤 条件 と地震 波 ( レベ ル 1 ) を 前提 条件 と して , ( 地 盤 の 最大ひずみ か ら算 定 され る管路 の 変 位 量) X ( 全 体 バ ネ係数 ) に よ り算 出 され る軸力 を, 地 震 力 を受 けた際 に必 要 な継 手部 の耐力 と した. 8 0 0 A に お い て , レベ ル 1 の 地震 力 を受 けた場合 , 2 0 9 k N の 軸力 が発 耐力発 生 時 の 変位 を概 ね再現 で きて い る と判 断 され た そ こで , 前 項 3 1 1 で 設 定 した 目標極 限耐力 を満 足す る 拡径 量 を見 出すた め , 構 築 した F E M 解 析 よる耐力評 価 シ ミュ レー シ ョンを行 った。T a b l e 2 に 解 析 ケ ー スお よびそ の解 析結果 を示す 出 が り角度 2 2 5 ° の場合 , 目標極 限 耐 力 が地 震 時 の 耐力 か ら設 定 され て い る こ とに起 因 し, 接合 拡径 量 が 8 m m で は満 足 で きな い結 果 とな った また, 】ラ夏承 生す る と試 算 され た 。予備 実験 にお け る拡径接 合仕 様 で は , 引 張弾性 限界耐力 で対抗 で き る との結果 とな った。 以 上 の検討 結 果 を踏 ま え , さらに , ① 現 地 に敷設 され た パ イ プ ライ ン には繰 り返 して ス ラ ス トカ が作 用す る こ と, ② 数度 の 地震力 を受 け る こ と, を 考慮 し, 接 合構 造 農土論集 2 3 0 ( 7 2 2 ) ・ D 試 験 値 に合 わせ る F屯。 4 解 析 の範 囲お よび境 界条件 Domain and bounda■ ッcondition of analysis 235 118 農 業上 木学 会論 文集第 2 3 0 号 ( 第 7 2 巻 第 2 号 ) わ イ ① ソケット拡径 T a b l e 2 耐力評価 シ ミュ レー シ ョン結果 Simulation rcsuits ofstrcngth 卜拡径シュー 角紳子ケース 曲がり角度 C) 225 90 目様訂直 はN) 948 幸 ② 路 雌 rn) Gコ 8 囃 挿込み量 l― ) 200 解析結果 m) 300 7CXl ③ 軸力載満 艘 F i g . 7 接合 拡 径 後 の 変 形 形 状 お よび 周 方 向応 力 分 布 ( 接合 拡 径 量 1 5 m m ) Dcforlnation and circumfcrential stress distribution Fig.5 解 析 にお ける載 荷方 法 Loading mcthod in analysis atcr expandingjOint F七・ 8 接 合拡径模式図 取pica dcformatlon ofcxPandcdjOint 0 10 対卿 20 30 進 塾 enm) 変y立 Fig.6 解析 結果 と予備試験結果 の比較 Results of analysis and pretcst 4 5 °で は接 合 拡径 量 が 1 5 m m で ほぼ満 足 で きる こ と, 9 0 ° で は接 合拡径 量 が 3 5 m m で も満 足 で きな い 結果 とな った なお , F 屯, 7 は, 解 析結果 の一 例 と して接 合拡径 量 1 5 m m の 場合 につ いて , 接 合拡 径 後 の 変形 形 状 お よび周 方 向応 F i g . 9 弾性 耐 力発 生 時 の 変 形 形 状 お よび軸 方 向応 力 分 布 Dcfonmation and axtal strcss distribution on clastic stagc 力 分布 を示 した もの で あ る。 この接 合 拡径 後 の応 力 分布 か ら, 接 合 拡径 の 峰 の 両側 に圧 縮応 力 の ピー クが 現れ , 止 水 ゴム は この二つ の ピー ク位 置 に挟 まれ た 状態 にな る こ とが 分 か った ( F i g . 8 の模 式 図 を参 照) こ の こ とが , 2 2 5 k N と な る解析 ステ ップ 時) の 変形形状 お よび軸 方 向 応 力分布 を示 した もので あ る. 内 管 と外 管 の接触 部 分 と 止 水性 の発 現機 構 にな ってい る と考 え られ た 容応 力度 ( % = 1 7 0 N / m m 2 : 材 質 S T W 4 0 0 ) 以 内で あ る こ と が 分 か つた ま た , そ の圧 縮応 力 に よ り止水 ゴム が 十分 F i g , 9 は, F i g . 7 に 示 した接 合拡径 量 1 5 m m の 場合 に つ いて , 弾 性 耐力 発 生 時 ( 極限耐 力 4 5 0 k N の 1 / 2 で あ る 236 な る外 管 内 面 と内管外 面 に圧 縮 応 力 , 外 管外 面 と内 管 内 面 に引張応 力 が発 生 し, どち らの発 生応 力度 も鋼 管 の許 に圧 縮 され , 止 水性 に寄与 してい る と考 え られ る。 Trans USIDRE Apr 2004 拡径 接 合 工 法 に よる鋼 管継 手部 の耐 力 と止 水性 能 の評 価 32止 水 ゴム の選 定 こ とが 判 明 した. 止 水 ゴムの厚 さに関 しては ,1,3,6mm厚 (175) 189 扁平力 韓 (145つ 2al 145 o753) 181 曲げ力 搬 ( 1 4 5 う 200 (175う ( 1 4 5 う2tXl Q753) 187 153 繰 り返 蜘 湘 以 ゴム厚 1 200 124 特輌 CRの 順 で あ る,②硬度 について は ,60±5の 方 が優 れ る, 聴獅 いて ,JIS K 6264に よる定荷 重 ウィ リア ムス摩耗試 験 を実 施 した 。そ の結 果 ,①材 料種別 の 耐摩耗性 は,SBR,EPDM, 2al ７ CR,④ BR,⑤ NBRの 順 とな つた こ の 評価 を受 けて, 上 位 3材 料 の 2種 の ゴム硬度 (硬度 50±5,60± 5)に つ o21め 単位 i nlm 勢 ０ SBR,③ 教 搬 引張力 ５ カ に総 合 評価 を依 頼 した ところ ,① EPDM,② ツ ケット 嬢 武 言 混 」 訪 任 巨 居￨! ０ ム を推奨 してい る そ こで ,耐 摩耗性 ,耐 乾湿繰 り返 し, 長 期 止 水性 ,経 済性 ,流 通性 な どを評価 項 目と して メー 血1 1 , s c a l c t c s t 離獲 (NBR),ブ タジエ ン ゴム (BR)ク ロ ロプ レン ゴム (cR), エ テ レンプ ロ ピ レン ゴム (EPDM)を 主原 料 とす る合成 ゴ Table 3 実 物大試験 における供試体仕様 Mate五a spedicatlon and expanding condltion ofcxpandedjolntin 路 権 水道 用 ゴムの材料 は,JIS K 6353にお いて ,ス チ レンブ タジエ ン ゴム (sBR),ア ク リロニ トリル ブ タジエ ン ゴム 無塗装 3 3 185 151 拡径量欄の上段 ( 3 )は 目縦 下段は実績値を載 さの 平板 供 試 体 を用 い て ,次 の 手順 で止水性 能試 験 を行 った 。① 先 行圧縮 :2,000kNの万 能試 験機 を用 いて ,接 合拡径 時 に作 用 す る圧縮応 力 50MPa(前 節 31の FEM解 析結 果)を 止 10に 示 水 ゴム に作用 させ る。② 繰 り返 し加 圧 試験 :Fig。 1)実 物大予備試験の実績個 こ比べて,止 水ゴム厚 2Elrn増,無 塗装 1 4rmn減 2)実 物大予備試験の実績値に比べて,止 水ゴム厚 施m増 ,挿 込み工程の施工性 を上げるためlII ln増 3)実 物大予備試験の実衡阻 こ比べて,り の増分約 3-増 す 止 水試 験 装 置 にセ ッ ト替 え し,高 カ ボル トを用 いた ト ル ク制 御 に よ り拡径接 合後 の圧 縮応 力 5NIIPa(前節 31の FEM解 析 結果 )を 止 水 ゴム に作用 させ た状態 にな るよ う た め , 8 0 0 A の 鋼 管 を用 いて 実物 大試験 を行 った 試 験種 別 は , 引 張力載荷試 験 , 扁 平力載 荷試 験 , 出 げ力載 荷試 挟 み込 む .そ の 後 ,0,005,05,1 0NIIPaの 各 水圧段 階 を 5分 間維持 す る水圧 負荷 を 3回 繰 り返 し,漏 水 の 有無 体仕様 を, 実 物 大予備試 験 と対比 して T a b に3 に 示 す 。 を確認 す る ③ 最 大耐圧確認試 験 :0.lNIPaずつ 昇圧す る 42引 ご とに漏 水 の有 無 を確認 しなが ら,漏 水 が確認 され るま 験 , 繰 り返 し軸 力載 荷試 験 で あ る。各試 験 にお け る供試 張 力載 荷試験 試 験 装 置 は , 予 備 試験 と同様 で あ る。 引張側 の 軸力 の で 昇圧 す る そ の結 果 ,① llllm厚さでは繰 り返 し水圧 負 片振 幅載荷 は変位 制御 で行 い , 抜 け出 し変 位 が 1 4 m m ま 荷 に よ り漏 水 が発 生す るケ ー ス が あ る,② 最 大耐圧 は , での l m m 亥 J みの 目標 変位 , お よび 2 0 , 4 0 m m の lmm厚 さは 0.8∼1.3MPa,3nlm厚 さは 1.2∼2.l NEPa,6mm でる, ことが分 か つた。 厚 さは 2 6 ∼ 3 . O N 4 1 P aあ の 以 上 結果 か ら, S B R の 硬 度 6 0 ±5 を 止 水 ゴムの材料 に選 定 し, 厚 さにつ いて は 3 m m を 仕様 とした 目標 変位 にお いて は, 目 標 変位 後 に変位 を O m m に 戻す 漸増繰 り返 し載荷 , 4 0 m m を 超 えた以降 は単純増加 載荷 と した。F i g . 1 1 は , 変 位 量 と荷 重 の 関係 を示 した もので あ り, F i g . 1 2 は, 変位 量 と継 手 に 作用 した軸 力 の 関係 を示 した もの で あ る` た だ し, 図 中 の 弾性 限界 は, ヒス テ リシ ス カ ー ブ にお い 4 拡 径 接 合 工 法 の 実 物 大 試 験 に よ る評 価 て , 滑 り挙動 が確認 され る直前 の 軸力 と した す なわ ち, 拡径 接 合構 造 の 場合 , 軸 力 載荷 に よ り外 管 と内 管 の継 手 41実 部 の 峰形 状 が崩 れ ( ゆるみ) 始 め る とす べ りに よる非 弾 物 大試験 にお ける供試体 仕様 前章 3 で 選 定 した拡径 接 合 の 耐力 , 止 水性能 を調 べ る ８０ ９ ５ 仰３ ３ 単 位 t ■l l l l / ｀ふ ノ 力計 【 300 ￨ 250 3 2 0 0 運1 5 0 さえ板 止 水 ゴム 反 力板 ボル ト ＼ ヽ ＼ 100 ポンプ ＼ 50 0 20 40 60 30 100 120 刻撞 伍m) F i g , 1 0 止水 試 験 装 置 の 概 要 Apparatus of watertight tcst 農土論集 230(722) F i g . 1 1 変位 量 一荷 重 ( 引張力載荷試験 ) Relatlon betwcen displaccment and load 237 農業 土木 学会 論 文集第 2 3 0 号 ( 第 7 2 巻 第 2 号 ) 43扁 平 力載 荷 にお ける止水性能試験 拡径接 合部 近傍 に局所 的 な荷 重 が 作 用 し扁 平力 が働 い た 状 態 の上 水性 能 を調 べ るた めに 実施 した 試 験 の概 要 Ｚも Ｒ 運抱ヽ Ｄ 軍ざ︼ 遭 林地ヤ ︵ は F i g 1。3 に 示 した とお りで あ り, ア クチ ュエ ー タに よ り 扁 荷 重 を加 えた . 試 験 は変位 制御 で行 い , 鉛 直方 向 の扁 平 率 が設 計基 準 に示 され た許 容 た わみ 率 の標 準 ( 農林 水 産省 構 造 改善局 , 1 9 9 8 ) の 5 % に 2 % を 上乗 せ した 7 0 % に な るまで載荷 した。載荷 中は内水圧 が 常 に O N I I P a とな る よ うに解 放弁 を開 いて お き, 扁 平率 が 1 % 増 す ご とに扁 平 量 を保 持 した 状態 で解 放 弁 を閉 じ, 0 . 5 , 1 0 N 4 1 P a の 内水圧 をそれ ぞれ 2 分 間負 荷 した 鉛 直扁 平量 と載 荷荷 重 の 関係 は F i g 1。4 に 示 した とお り で あ る. 目 標 扁 平率 の 7 % に お いて も漏 水 は観 察 され なか 刻理曇 mm) F i g . 1 2 変位 量 一軸 力 ( 引張 力 載 荷 試 験 ) Relatlon bet、 vccn displacement and axtal load った. 44曲 げ力載 荷 にお ける止水性能試験 性 状態 に な る と考 え , この 峰形状 の 崩 れ の 開始 に着 目 し た 具 体 的 には , 荷 重 がゼ ロにな る除荷 時 の軸 力 O k N 前 後 にお け る とス テ リシ ス カ ー ブ の接線 勾配 が変 化 す るか 拡径 接 合 部 に 曲げ荷 重 が 作用 した状 態 の止 水性 能 を調 べ るた めに実施 した . 試 験 の概 要 は F i g . 1 5 に示 した とお りで あ り, ア クチ ュエ ー タに よ り相 対 曲げ角度 ( 以降, 否 かで判 断 した。 この判 断 に よれ ば, 変 位 量 8 7 m m の 次 のサ イ クル か ら接 線 勾配 が変 化 してい る し たが って , 引 き上 げ を 一, 押 し下 げ を 十 と表示 ) を 制御 しなが ら荷 重 を加 えた 。載 荷 に よ り変 位 させ た相 対 曲げ角度 お よび 回数 は , - 1 ° ∼ + 1 ° を 6 サ イ クル , - 2 ° ∼ + 2 ° を 3 本試験 結果 に よる 引張側 の 弾性 限界 耐力 は 3 0 7 k N ( 変 位 量 8 7 m m の 時点) で あ り, こ れ は地震 動 レベ ル 1 相 当 の 軸力 に抵 抗 す るた め に要す る弾性 限界 強度 2 0 9 k N を 上回 サイ クル , - 3 ° ∼ + 3 ° を 3 サ イ クル で あ り, 途中 の + 2 ° , + 3 ° の最初 の サイ クル で 0 5 , 1 . O N I P a の内水圧 をそれ ぞ ０姉 り, 想 定す る地震力 に も十 分耐 え られ る構 造 で あ る こ と が確認 で きた , ま た , 出 が り角度 4 5 ° の ス ラス トカ 2 2 6 k N に対 して も耐 え られ る構 造 で あ る こ とが確認 で きた . 1-￨ ・ Oc ・ (】 ・ ￨ ― ￨ Fig.15 曲げ力 載荷試 験 の概 要 Apparatts of flexural loading tcst 抑 にから) F i g . 1 3 扁 平 力 載 荷 試 験 の概 要 Apparatus of compressive loading test 100 ︵ こ 80 肥艦籍 60 40 00 20 40 髄 と Ａ じ 二重や とヽ ＸＩ中Ъ毬Ｑ益＝謎 120 60 向隷 (%) F i g . 1 4 扁平 率 一 荷 重 ( 扇平 力 栽 荷 試 験 ) Relation bctwecn cOmprcsslon rate and load たわみ角 はづ F i g1。 6 相 対 曲げ角度 ― 曲げモ ー メ ン ト ( 曲げ力栽荷試験 ) Relation betwecn relativc angie ofbcnd and bcnding momcnt Trans 」SIDRE Apr 2004 拡 径 接合 工 法 に よる鋼 管継 手部 の耐 力 と止水 性 能 の評 価 れ 2 分 間負 荷 した そ の 後 引 き続 いて , + 4 ° , + 5 ° , + 7 5 ° , + 1 0 ° と順次 , 相 対 曲げ角度 を増 し, 0 5 , 1 0 M P a の 内水圧 をそれ ぞれ 2 分 間負荷 した 相 対 曲げ角度 2 °, 3 ° の小 さな 曲げ角 の水圧負荷 時 に 許 容減 水 量 を大 き く下回 る微 量 の水 滴 が確 認 され た もの の , 曲 げ角度 1 0 °において も漏 水 は観 察 され なか っ た なお , 拡 径 接 合 部 に発 生 した相 対 曲げ角度 と出げ モ ー メ ン トの 関係 は F i g . 1 6 に示 した とお りで あ り, 相 対 曲げ角 こお いて最 大 曲げモ ー メ ン ト 1 4 4 k N ・ mが 発生 し 度 65° ヤ た な お , 本 拡径接合 の曲 げ岡1 性は相 対 曲げ角度 1 °レベ に よる繰 り返 し載荷 と した 繰 り返 し回 数 の 50サ イ クル は ,ガ ス 導管設 計指針 に示 され た ,地 震 動 に よつて 生 じ る最 大 ひず み振 幅 の 等価繰 り返 し回数 (社団法人 日本 ガ ス協 会 ,1982)で あ る。ま た ,止 水性 は図 中 の 黒 丸 の 時 点 で 05,1.ONIPaの 内水圧 をそれ ぞれ 2分 間負荷 して確 認 した 試験結 果 は,± 05δ か ら±3δまで ,い ずれ の振幅 で も 内水圧 1 0MPaの 止 水性 は保 たれ ,レ ベ ル 1地 震 動相 当の ±53mmの ル にお いて , 溶 接継 手 の 1 / 3 0 , ダクタイル鋳 鉄管継 手 の 変位 を大 き く超 えて止 水性 が保持 で きる こと 18は 試験 の結果 の 一 例 と して ±2δ を確 認 した。また ,Fig。 一 にお け る変位 量 軸 力履歴 を示 した もの で あ り, 目標 と 4 0 倍 で あ る と試 算 され た す る レベ ル 1地 震 動相 当時 の軸力 209kNに 対 し,十 分 な 必 要耐力 を有す る こ とが確認 で きた 45繰 り返 し軸 力載 荷 にお ける耐 カ ロ止水性能試験 なお ,本 試 験 は上記 と同様 の仕 様 で作製 した供試 体 , 拡径接 合 部 に繰 り返 し軸力 を載荷 し, 地 震 時 の 耐力 お よび止 水性 能 を調 べ た 試 験装 置 は予備 試 験 と同様 で あ 同様 の試 験方法 (ただ し,継 手変位 は ±2δま で)で 実施 る 与 えた変位 の基本 量 δは , 3 1 1 で 算 出 した軸力 2 0 9 k N を継 手 の バ ネ係数 3 9 , 2 5 0 N / m m で除 した値 の 5 . 3 m m で あ て 5分 間負荷 す る追加試 験 にお いて も,止 水性 は保 たれ り, 試 験 にお ける載 荷方法 は F i g . 1 7 に示 した よ うに, ± 0 5 S , ± S , ± 1 5 S , ± 2 5 を 各 々5 0 サ イ クルず つ 載荷 し, した ,内 水圧 1い ?aを 2分 間負 荷 後 に 20MPaへ 昇圧 し る こ とが確認 で きた 。 5 お わ りに そ の後 ±2 5 δと±3 δを 1 サ イ クルず つ 載荷す る変位 制御 鋼 の延性 ・靭性 お よび ゴムの弾性 を活用 した鋼管 の拡径 接合 工法 に よる継 手部 の耐力 と止水性能 を評価 す るため, 引 き抜 き 呼び径 800nlmの 実物大供試体 を用 いて室内試験 を行 った そ の結果,接 合拡径量 17511m,止 水 ゴム厚 3Hlmと した仕 様 の継手部 は,曲 が り角度 45°のス ラス トカ, レベ ル 1の 地震力 に対抗で きる耐力 を有 し,扁 平率 が 7%と なる扁平力 載荷,曲 げ角度 が 10°となる曲げ力載荷 ,地 震 時変位 の 2 ３︲ ５ ２ ・ ６ ヽ３ ・ 和︲ ・・ 倍 となる繰 り返 し軸力載荷 の各状態 において も,1,い ?a以 上の止水性能 を有す る ことが確認 できた。 なお,本 工法に よる継手部 の水理機能 の評価 につい ては, 内管 の挿込み方 向が上流方 向,下 流方 向 のいずれで あ つて Fig.17 繰り返 し軸 力載 荷 の方法 Cyclic patcnl ofaxial force loading も,溶 接継 手 と同等 の 水理性 能 を有す る こ とを,松 鳴 ら (2003)が報告 している ま た,施 工性 の評価 については, 呼び径 1,200Hlmの鋼管 による管路延長 168.7mの実証試 験 の 結果,拡 径接合 工法 は溶接継手 に よる場合 に比較 して,作 業時間が約 路 と大幅 に短縮 で きた ことを,長谷川 ら (2003) が報告 している 少母 引用 文献 門古Ｅ翌 や増 料収 ０ 暉 ギ ヤ 羽上田裕章,柳 本速雄,矢 野嘉孝,服 巻健二,高 崎健太郎,出 光 隆 ,山 崎竹博 (1998):拡径構造を用いた鋼管継手構造の 軸耐力評価 に関する検討,土 木学会第 53回年次学術講演会講 演概要集,6,p342,343 長谷川延広,飯 柴博久,森 充 広,山 口克博 (2003):銅管の拡 径式接合継手工法の開発その 3-実 証試験 一,農業上木学会大 躯 l ―l Fig.18 変位 量 ―軸 力履歴 (繰り返 し軸 力載荷試験) Rclation bctwccn displacement and axial load 農土論集230(722) 会講演要旨集,p574‐575 服巻健 二 ,出 光 隆 ,山 崎竹博,羽 上 回裕章,柳 本速雄 ,矢 野 嘉孝 (1998),鋼管拡径 と膨張性 モル タル を併用 した鋼管継手 五法に関す る実験的研究,土 木学会第 53回年次学術講演会議 演概要集,6,p340‐341 機械設計便覧編集委員会 (1973):新 版機械設計便覧,丸善,p1879 239 122 農業 上木 学会論 文 集第 2 3 0 号 ( 第 7 2 巻 第 2 号 ) 松鳴茂之,今 井俊雄 ,中 達 雄,日 中良和,山 口克博 (2003): 鋼管 の拡径式接合継手工法の開発その 2-継 手部 の水利機能 の評価 一,農 業土木学会大会講演要 旨集,p572-573 長東 勇 ,中 達 雄,藤 本直也,直 江次男,森 充 広 ,森 山英 村,澤 田義弘,山 口 昇 ,辻 村 修 ,笠 井隆司 (2002):銅管 の拡径接合継手構造,特 願 2002‐ 5 8436 農 農林水産省構造改善局 (1998):土地改良事業計画設計基準 設 計 パ イ プ ライ ン 基 準書 ・技術 書 ,p58‐89,p120‐121, 社 団法人 日本水道協会 (1997):水道施設耐震工法指針 ・解説, , p295-299 〔 受 2003 10 23受 稿,2004 2 16閲 読了〕 〔 この研究報文に対する公開の質疑あるいは討議 (4,000字 以内, 業上木学会論文集編集委員会あて)は,2004年10月24日まで 付けます.〕 320 p319‐ 社団法 人 日本 ガス協会 ( 1 9 8 2 ) : ガス導管耐震設 計指針 , p 3 1 Strength alld Watertight Performance of Expanded Steel Pipe Joint NATSUKA Isamuキ ,ISHIMURA Hideaki辛 KAWAGUCHI Shusaku十 ,TOKASHIKI Masaru*,MORI Mitsuhiro*, ホand HAJOHTA Hiroakiキ 辛 中7vα r'ο ″θ′r″srヵ″′ 夕乃 /R″ rα′ど″g,ィタ2/,″ 6 Kannondai,Tsukuba‐ shi,Ibaraki305‐ 8609,JAPAN g,2‐1‐ 孝キⅣ 冴,2‐ 6‐3 0utc‐machi,Chiyoda‐ ku,TOkyo 100‐ 8071,JAPAN ヵ 乳 ρο″Sr2夕′cθ ,と′ Abstract An cxpandcd steel pipc jOint mcthOd, which applics thc ductility and tcnacity of stccl and thc clasticity of rubbcr,has bccn dcvclopcd to improvc thc workabllity of stccl pipc constructiOn ln t study, the strcngth vatertight and 、 pcrformancc of cxpandcd joints wcrc invcstigatcd using full‐ scale s t c c l p i p c s 8 0 0 o mm mi n ia nl ■d i a m c t c r T h c r c s u l t s s h O w c d : ( 1 ) t h C C X p a n d c d j o i n t w i t h s t 0 0 d thrust forcc v、ith a bcnt pipc angic of 45 dcgrccs and lcvcl l carthquakc motions,(2)the watCrtight Pa with a comprcssion loading ratc of 7 0/0,a flcxural loading at pcrformancc indicatcd morc than 1 0ヽ 在 an anglc of 10 dcgrccs and a cyclic axial loading twicc the scismic displaccmcnt Fヮ ックァ冴St S'2ガ βゥ タ,ど ■βα″冴タグブθ′ ″レ 夕″″gカチクe汐 /″α″C夕,ゴ ど豚 α″αゥ s'S ,Sr″夕″g′ヵ,″ 竹′ 「rans 」SIDRE Apr 2004
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