鋼構造部材の弾塑性挙動解析における溶接不整の取扱い
大阪大学接合科学研究所 正会員 金 裕哲 〃 正会員 廣畑 幹人 大阪大学大学院 学生員 ○朴 度炫 〃 学生員 玉川 新悟
１．はじめに
鋼構造部材の溶接接合において，溶接変形と残留応力(溶接不整と称す)が必然的に生じる．これらは初期不 整として部材の力学挙動に種々影響を及ぼすことが一般的に知られている．ところで，溶接不整が鋼構造部材 の力学挙動に及ぼす影響，すなわち，弾塑性挙動解析における溶接不整の導入については不明な点が多々ある1)．
本稿では，突合せ溶接した圧縮板を対象とし，鋼構造部材の弾塑性挙動解析における溶接不整の導入につい て検討した結果を報告する．
２．突合せ溶接で生じる変形と残留応力
熱弾塑性解析により得られる溶接変形および残留応力(溶接不整)を，圧縮板の弾塑性挙動解析における初期 不整とする．熱弾塑性解析のモデルを図-1に示す．2枚の
SM400
鋼板(板厚：t=6(mm))を1
パス突合せ溶接2) することを想定する．板長はa=300(mm)，板幅は b=500(mm)である．溶接変形および残留応力(板厚方向の平
均値)の解析結果を図-2に示す．角変形(図-2(a))はV
字形，縦曲り変形(図-2(b))は凹形であった．３．圧縮板の弾塑性挙動解析における溶接不整の再現
熱弾塑性解析により得られた溶接不整を，初期不整として無載荷状態の板に導入した．溶接不整の導入結果 を図-3 に「○」印で示す．導入した溶接不整(実線)は精度良く再現できていない (Output1)．微小変形理論に 基づく熱弾塑性解析で得られた残留応力は，溶接前の初期たわみがない板に対する結果となっている．ところ が，溶接後の溶接変形を初期たわみとする板に，そのま
ま残留応力を導入すると，両者の間に不釣合い力が生じ る．この不釣合い力により変位が生じる．このため，導 入した溶接変形が精度よく再現できないことをわかった．
これに対し，不釣合い力により生じる変位を予め求め ておき，溶接変形からこの変位量を差引いて収束計算を することで，溶接不整が図-3 の「□」印で示す(Output2) ように精度良く再現できた．
キーワード 溶接変形，残留応力，初期不整，熱弾塑性解析，弾塑性大変形解析
連絡先 〒567-0047 茨木市美穂ヶ丘
11-1 大阪大学接合科学研究所 TEL 06-6879-8647
Out-of-plane deformation (mm)
x=150 z=3 (mm) -1
-0.5 0 0.5 1 1.5 2
-300 -200 -100 0 100 200 300 y (mm)
Residual stress (MPa) x=142.5 (mm)
-600 -400 -200 0 200 400 600
-300 -200 -100 0 100 200 300 y (mm)
σx
σy
σz
Out-of-plane deformation (mm)
y=0z=3 (mm)
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
0 100 200 300
x (mm)
(a)
角変形(b)
縦曲り変形(c)
残留応力 図-2 熱弾塑性解析結果Unit: mm y x
z t=6
a=300
b/2=250
Sym.
65°
2.5 5.5
B. M.
(SS400) W. M.
図-1 熱弾塑性解析モデル 土木学会第64回年次学術講演会(平成21年9月)
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４．溶接不整が圧縮板の力学挙動に及ぼす影響
突合せ溶接した板の圧縮挙動を弾塑性大変形解析によりシミュレ ートした．解析結果を図-4に示す．収束計算により高精度に再現した 溶接不整を導入した場合(Case A)と，導入した溶接不整のずれを修正 しない場合(Case B)とを比較した．結果によれば，板の剛性および最 大荷重はほとんど変わらなかった．しかし，縦曲り変形の傾向が両者 で逆であるため，最大荷重時の変形モードは逆となっていた．
高精度に再現した溶接不整を導入した場合と，導入した溶接不整の ずれを修正しない場合の板の圧縮挙動は大きく異なる．溶接不整を考 慮した鋼構造部材の弾塑性挙動解析において，溶接不整が精度良く再 現されているか否かを調べることは必須となる．つまり、この結果は 導入した溶接不整が高精度に再現されていなければ，得られた結果の 信頼性が大きく低下することを示唆している．
５．まとめ
突合せ溶接した圧縮板を対象とし，鋼構造部材の弾塑性挙動解析に おける溶接不整(溶接変形・残留応力)の取扱いについて検討した．
結果によれば；
(1)
微小変形解析で得られた溶接不整を，大変形解析における初期不 整としてそのまま導入しても，溶接不整が精度良く再現できない ことがわかった．(2)
溶接不整を精度良く導入するひとつの方法を示した．(3)
高精度に再現した溶接不整を導入した場合と，微小変形解析で得 られた溶接不整をそのまま導入した場合とで，板の圧縮挙動は大 きく異なる．(4)
溶接不整を考慮する鋼構造部材の弾塑性挙動解析において，溶接 不整が精度良く再現されているか否かを調べることは必須である．不整が高精度に再現されていなければ，得られた結果の信頼性が 大きく低下することを結果は示唆していた．
参考文献
1)
例えば，土木学会：座屈設計ガイドライン(2005)．2)
金ら：溶接変形の高精度予測における支配因子の正当性と一般性 の検証，溶接学会論文集，25-3(2007)，pp.450-454．(a)
角変形(b)
縦曲り変形(c)
残留応力(溶接線方向成分) 図-3 溶接不整の再現結果-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
-300 -200 -100 0 100 200 300 y (mm)
Out-of-plane deformation (mm)
x=150 z=3 (mm)
Output 1 Output 2 Welding
distortion
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
0 100 200 300
x (mm)
Out-of-plane deformation (mm)
y=0z=3 (mm)
Output 1 Output 2 Welding
distortion
-400 -200 0 200 400 600 800
-300 -200 -100 0 100 200 300 y (mm)
Residual stress σx (MPa)
x=142.5 (mm)
Output 1 Output 2 Residual
stress
図-4 弾塑性大変形解析結果 -10
-5 0 5 10
0 100 200 300
x (mm)
Case A Case B y=0z=3 (mm)
Out-of-plane deformation (mm)
(c)
変形モード(最大荷重時)(b)
作用応力-鉛直ひずみ関係 00.2 0.4 0.6 0.8 1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Case A Case B
Nominal stress / Yield stress, σ/σY
Vertical strain / Yield strain, ε/εY
(a)
解析モデル x ySym.
a=300
b/2=250
S. S.
S. S.
S. S.
Thickness: t=6
Unit: mm
Weld metal
Forced displacement
Forced displacement 土木学会第64回年次学術講演会(平成21年9月)
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