【研 究 論 文】 UDC ：624
．
Oフ8
．
3 ：624．
078．
014．
5 日本建築学 会構造 系 臨 文 報 告 集 第 357 号・
昭 和 60 年11月欠 陥
を
有
す
る
柱
一
は り
接合部
の
塑
性 変
形 能 力
に
関
す
る
破 壊 力
学的検
討
欠陥
を有
す る溶接 接合 部
の破
壊挙動
に関
する研
究
そ の
3
正 会 員 正 会 員小
中
笥
徹 郎
＊進
一
郎
＊ ＊ §1
．
序 溶 接 構 造 物の欠陥か ら の破 壊 挙 動 を把 握 し，
建 物の安 全性 を確 保す る た めに，
非線形破 壊 力 学 的 手 法が導 入さ れ， COD，
J
積 分を用い た破 壊 条 件の規 定が行わ れ てい る。 著 者ら は 既報 旦，・
2）に お い て 接 合 部 破 断 延 性 把 握の基 礎 と な る 切 欠付 平 板の引 張 実 験な らびに有限要素法解析 を行い，部材の変 形 性 能の限 界に対応 す るCOD
を定め，
COD
と 」積 分の関 係にっ い ても検討を加え た。
柱
一
は り接 合 部を対象と し た載 荷実験 として は，
Popov ら3〕，
金多ら4）に よ るH
形 断 面ば りを用い た繰 返 し実 験が あ げ ら れ る が， これ ら は接 合 部の疲 労 強 度の評 価 を 目 的とし ており，
接合部に欠 陥が存 在 する場 合につ いて の検 討は な さ れて いない。
溶 接 接 合 部に欠 陥 を入れ て繰 返し載 荷 実 験 を行っ たもの と し て藤 本ら5iの研 究が あげられ る。
藤 本は欠 陥を有す るT
継手突合せ溶 接 部 の疲労性 状を， Manson，
Coffinの式 6〕を 用い て論 じ て いる。
しか し欠 陥か らの亀裂に対す る破 壊 力 学 的な検 討 はな され て い な い。 また，
岡本ら T｝，
藤 盛らS｝，
佐 藤らD） もそれ ぞ れ欠 陥を考慮 し た柱一
は り接 合 部の繰 返 し載荷 実 験を行っ てい る が， 接 合 部の変 形 性 能の 限 界を破 壊力 学 的手法によ り合 理 的に定 めるには至っ て いない。以 上の背 景 を 考 慮して
，
本 研 究ではこれ まで行っ て き た 切欠 付 平 板の破 断 延 性に関す る非 線 形破 壊 力 学的 評 価 法 を用いて，
欠 陥 を有 する柱一
は り接合部の塑 性 変 形 能 力の定量的 把 握 を行う。
§
2．
欠 陥を有す る 柱一
は り接 合 部の繰 返 し曲 げ試験 の計 画・
概 要 2，
1 試験体 計 画欠 陥を有す る柱
一
は り接 合 部の極 低 サ イクル繰 返し曲 げ 試 験の概要につ いて述べ る。本 実 験で用い た試 験 体は， Fig．
1（a）に 示 す形 状・
寸 法 で，
は り部 材と してSM −41
圧 延H
形 鋼 （H−
200× 10D×5．
5
×8
）を 用 い， は り端にエ ン ドプレー
ト （E32
）を溶接 し， 柱 部 材に 相 当 する反 力 台 （H −350
×350
×12
×19
）に高 力ボル ト 接 合する片 持ばり形式であ る。
試 験体の は り先 端には載 荷 用の ピン支点を加工 し， そ こ に繰 返し荷 重を加え るこ と に よっ て，
は り端 接 合 部に繰 返し曲 げが生 じる よ う に し てい る。
試 験 体はり端 部の溶 接は，
フ ラ ンジ部レ型 開 先 突 合せ溶 接，
ウェ ブ部 隅肉 溶 接 と し てい る が， 突 合せ 溶 接 部の詳 細に よ り，Fig，1
（b
）に示す よ うに3
っ の種 類に分けられて いる。
す な わ ち，
両 側の フ ランジに全 長．
にわ た りレ型 開 先 を加工 し， 突 合せ溶 接し た無 欠 陥の試 験 体 （X −Series
）， 片 側のフ ランジで一
部レ型 開 先 加工 を行わず，
エ ン ドプレー
トとの間に メタル タッチ型 欠 陥 を有す る試 験 体 （Y −Series
），
メタル タッチ型 欠 陥 を 有 し，
裏 当 金 溶接 法に よ る試験 体 （Z −Series
）であ る。X −Series
，
Y −Series
の裏 当金 を用い ない 試 験 体では，
1 名古屋 工業 大学 教 授・
工博 ＊＊ 中部電力 （株 ）原子 力 土 建 課・
工修 （昭 和 59 年 IZ 月 6 日 原稿 受 理 日，
昭 和60年5月2日改訂 原 稿 受理 日，
討 諭 期 限 昭 和 61 年2月末 日 ） X鬯
Soriβ5 DETAIし4．
Bs［eE陣
≡
Y−
Series OE「A「L A510匚
ll
L
B510ε 期ト
ロ
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1 団 Z−
5erle∋ OEIAtu A510E 悪 齧 巳510E睡
篤
一，
ll・
一
甼1一
置1
（α）
（
b
）‘Unit：mm ）
Fig
．
1 Tesしspeclmens a皿d groove shapes of beam nange初層は溶込み不足等の欠 陥を除去す る た め
，
裏はつ り後 に裏 溶 接を行っ て い る。
ま た すべての試 験体フランジ表 面の余 盛は削 除し た。 スカ ラッ プは半径30mm
の円弧 で，
現 実に用い られる柱一
は り接 合部の許容加工精度で ある。
溶 接 法は すべ て アー．
ク手 溶 接に よっ た。 各 試 験体 の設 計 欠 陥 半 長α と，
実 験で採 用し た制 御 変 位 振 幅△。 をTable 1に，
素 材 引 張 試 験より得られた鋼 材の材料特 性 値と接 合 部の溶 接 条 件をTable 2，
3に示す。 素 材引 張 試 験はJIS
規 格に基づ く標 準 試 験 片 （フランジ ：1B
号 試 験 片，
ウェ ブ ：ユA 号 試 験 片，
溶 着 金 属 ：2号 試 験 片）を用いてい る。
2．
2
実 験装置の概 要Fig．
2に載 荷装置の 全景を示す。
試 験体梁部 材 が 繰 返 し載 荷 中に横座 屈 を生じ ないよ うに， はり部 材の面 外 方 向変位を拘 束す る横 座屈防 止フ レー
ム を設 置し， 載 荷 点 に試 験 体の 変 形に よ る付 加 曲 げ が 加わ ら ない よ うに，
ジャッキ部を 2 ピン構 造と してい る。
柱 材の エ ン ドプ レー
ト接合部にはスチ フ ナ補強 を行い， 十分 な固 定 度 を 確 保し た。
こ れ は実 験 中のエ ン ドプレー
トの浮 上り量 測 定によっ ても検証 してい る。
荷 重の検 出は油 圧ジャッキ 頭 部に取り付け たロー
ドセル で行い，
変位量は試験体は り先 端の載 荷 点 （エ ン ドプレー
ト上面 よ り1500mm の 位 置）， お よびエ ン ドプレー
ト上 面より750mm
の 点に配 し た変位 計で 測 定し た
。
ま た，Y −Series
，
Z −Series
の試 験体で は
，
は り端欠陥部のCOD
を 測定す る た め，
ク リップゲー
ジ を取り付け，
得 ら れ た値を全 面 降 伏 時のBCS
モ デル 1 ｝に より，
欠 陥か らの 亀裂進 展にか か わ り な く，
初 期 欠陥位置で の開口変位 量に換 算 し た。
な お，
本 実 験の よ う な実 溶接 接合部の繰返し載 荷実験で は， 部 材の初 期不整量の存在か ら，
繰 返し数の 増 加によ り左 右 の 亀 裂 進 展 量に差の 生 じる こ と が予想され る た め，
COD
の平 均 値と し て左 右の開口比に よ る重み平 均 を 採 用し ている。 また各 試 験 体 と もは り端 部 近 傍におけるひ ずみ分布を見る ため，
ゲー
ジ長 5mm の ひずみ ゲー
ジ を て ん付して，
主 要な荷 重，
お よび設 定 変 位 段 階で ひずみ 量 を測 定し た。Fig．
3に クリップゲー
ジの詳細，
および 取 付け状 況な らびにひずみゲー
ジの てん付 位 置を示す。 実 験は は り先 端の 変 位 量による定 変 位 （A，），
完 全 両 振 り状 態で，
欠 陥 を有 するフ ラン ジ が最 初 引張 側と な る よ うに し て行い，
欠 陥か ら の亀 裂がは り フ ラ ンジ を貫 通す Table l Dimensions Qf specimenSpecimen NO
・
a ｛ ｝ △（：〔cm ｝ x−
M O，
0脚
Monotonlc X−
3．
O O．
0 ±3．
O Y−
4−
M 4．
0脚
Monoton ↓ C Y−
4−
2，
0 4．
0 ±2．
O Y−
4−
2．
5 4．
0 士25 Y−
4−
3．
0 4．
0 土3，
0 Y−
8一
団 8．
10
Monotonic Y−
8−
2，
0 8．
G ±2．
O Y−
B−
2．
5 8．
0 ±2．
5 Y−
8−
3．
0 8．
0 ±3．
O Y−
12−
M 12．
0 眄onotonic Y−
12−
2．
0 ユ2．
0 ±2．
O Y−
12−
2．
5 12．
0 ±2．
5 Y−
12−
3．
0 12．
0 ±3．
O Z−
4−
2．
5 4．
0 ±2．
5 Z−
8−
2．
5 B．
0 ±2．
5 Z−
12−
2．
5 12．
0 ±2．
5a ： Half Length of Defect
△c ： Controlled Deflection Amplitude
一
圓謄 ノ
゜UackT¶
．
．
．
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Dispbc ent Tronsducer ；1冒
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．
2 Genera且view of the test set−
up閥
、
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DNO L胴日，
Table2 Mechanical properties of base meta 且and weld rnetal
σ
y 【kg〆 3｝ σu ｛kg1⊂．
1
甘・， E ｛・10りkg〆り Elong
．
構 ） Fユanq 臼 Web 阿eld Met己
132．
536．
334．
o47．
048．
845．
11550173016202，
112．
102．
1021．
023．
630．
5 Table3 Welding conditionsSeriesWelding rod
iame ヒer （ ）1NO
，
of Passes
田eldinq Current （A｝ X
−
Series Y−
Series Z−
Series G200 ｛4φ） G200 14φ） G200 ｛4 φ1 2−
3 〔Surfacel 2 1Reversel 2−
3 〔Surfacel 2−
3 〔Rever5 引 6−
9 〔Surface ｝ 160160160160160DETAlL
A SURFACE RE＞ERSE
誉
1噂
．
1贈
一
一
S丁RA且N GAUGEii
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…
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．
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匸
．
OHO
し
剛
日
．
る まで繰り返し た。 §3
．
欠陥 を有 する柱一
は り接合 部の繰返 し曲 げ 試 験 結 果お よび 考 察 3．
1 単 調 曲 げ載荷時の接合 部の破壊挙動Fig，
4に欠 陥 長の異な る試 験体の，
単調載荷時にお け る荷 重 （P ） とは り先 端 部の変 位 （△〉との関 係を示す。
はり部 材が塑 性 域に達す る まで は， 欠陥長 の大き な試 験 体の初期剛 性が わずかに小さ く な ることを除いて，
試 験 体 間に差は認 めら れ ないが，
以降は顕著な差が現れ， 無 欠 陥の試験体で は， ほ ぽ一
定の割 合で荷 重， 変 位 量 と も に増 加 してゆ く。
そ して は り先 端 変 位 が8cm 付 近で は り端圧縮 側フ ランジに局 部 座 屈が認めら れ た。 そ の後 ム が16cm
近傍で引 張 側フ ランジ溶 接 止 端 部と，
ス カ ラップの ウェ ブ回し溶 接 部に亀 裂が発 生し，
荷 重 低 下を 伴っ て亀 裂が進 展し破 断に至 っ て い る。一
方，
欠 陥を有 す る試 験 体で は， 塑 性 域に達 すると荷 重は ほ ぼ一
定と な り，
欠 陥 部 先 端か ら発 生した亀裂が徐々 に進 展し，
無 欠 陥の もの と比べ て著し く小さ な変 位 段 階 （無 欠 陥の試験 体の40
％程度）で急 速に破 断し てい る．
こ の傾 向は欠 陥長の大き な試 験 体ほど顕 著で，
破 断 直前で も圧 縮 側フ ランジに局部座 屈は認め ら れ な か っ た。
また欠 陥か ら進 展した亀 裂 面は，
ほ ぼ溶 接 線に沿うもの であっ た。Fig．
5に単 調 載 荷 時の各試験体のcOD
〔δ）と は り先 端 変 位 （A
）の 関 係を 示 す。
各 試験 体 と もは り 部材の全 3ρ
．
V 匹 x o隔
o 〔自
h ） o ‘ム
8 ロ 鳳2 D0 40 9，
O L2 ム （c閉
冫．
D l5，
o P一
ム CURVE 卜10NO丁ONICFig
．
4 Load−
deflect正on cun 厂es under monotonic loadingA 巴 匚
り
（
6V8CDO （O冫己
0．
75（nm ， o α・
4 嘱鹽
｝り
一一一 一一
4 5O l2一
〇一
O Mp2．
0 4，
0 5 凸 （じ
區
｝．
o3．
0COD（δ ）
一
ムCURVE 岡ONO丁ONICH・
1・
1o閥
L
冊
Fig
．
5 COD−
deflectien cuTves under monotonic 且oading一 74 一
塑 性モー
メン ト （M
ρ）以 降は，COD
（δ｝と △．
の間に は ほ ぼ線形 関係が認め ら れ る が，
欠陥部か らの 亀裂進展に より，COD
（δ）＝0．
75
mm 付近でA
に対す るCOD
（δ） の増 分が大き く な り，
線 形 関係が崩れ てい る。
そ の後急 速な亀裂の伝播によ りCOD
が急増し，
最終 的な破 断に 至っ てい る。 な お，
δ一
A 関 係に つ い て は欠 陥 長の違い に よ る有意 差は 認 め ら れ な かっ た。
3．
2 繰 返し曲げ載 荷 時の接 合 部の破 壊 挙 動 Fig．
6（a）一
〈c＞に繰 返 し曲 げ載 荷 時の荷 重 （P
）と は り先 端 変 位 （A
）の関 係の一
例を示す。P −
A 関 係は まず 安 定し た 同一
の ルー
プを描く。
安 定なルー
プを描く 回数は， 初期欠陥 長，
制 御 変 位 振 幅が小さい試験 体ほど 〔a ） ゆ ＋一
〇 〇噌ed竃
3 匹一
●．
0−
20o．
2．
0 4 ム （Cm ＞ o一
P一
ム ⊂UR》E Y−
8−
2 〔b｝一
Φ o暦 d ゆ＋ 2 § 皀一
40−
2・
o o0 2．
0 4 ム （c吊｝．
D P一
ム 匚URVE Y−
4−
3NJ．
1．
ONO Lqo、
〔c ）多く なっ て い る。 裏 当金溶接の
Z −Series
では，
裏当 金 が存 在す るこ とに よ り 同一
変位量に対す る荷 重が， Y−Series
よ り も上 昇す る傾 向が 認 め ら れ た。
欠 陥か ら の亀裂発生は無 欠 陥のX −Series
を 除い て各 試 験 体 と も1〜2
ルー
プ目に フ ランジ外 側 緑の欠 陥 先 端 部で確 認さ れ，
以 降ヒ ステ リ シス ルー
プが安定な間は， 亀裂も徐々 に進 展して ゆ く。 本実験は曲 げ載荷形 式の た め，
フ ラン ジ 表面と裏 面で応 力こ う 配 が 生 じ，
表面 縁で亀 裂が確 認 さ れ た時で も，
裏 面で は ま だ亀裂は認め ら れず，
その後 の亀 裂 進 展量 も均一
で な く，
フランジ表 面縁の 方が大き く なっ てい るこ と が 観 察 さ れ た。
ま た亀 裂の伝播 方 向は，
ほ ぼ溶接 線に 沿 う も の で あっ た。
安 定なルー
プが続いた 後，
亀裂の進 展によ り荷 重 が低 下し， 各 サ イクルの残 留 変形 量 が 増大 し， P−
△関係の ルー
プは初 期に比べ て 太っ たルー
プにな る。
安 定なルー
プ以 降の荷 重 低 下の度 合は，
制 御 変 位 振 幅の大 きな試 験 体ほ ど激し く なっ て い る。
亀 裂 進 展 量が大き く’
な ると，
ルー
プ圧 縮 側には 亀裂 面の 開 閉に起 因する反 曲 点が認め ら れる よ うに な る。 ま たY −Series
に比べ，
Z −Series
で は，
初 期 欠 陥 先端で亀 裂が認め られ た後の各 サ イク ル における亀 裂 進 展量 は小 さ く， 裏 当 金の存 在に よる拘 束 効 果が期 待で きること が Eltv1，
1 o．
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3．
3 欠 陥近傍の ひずみ分 布Fig．
7はY −Series
，
制 御 変 位 振 幅Ac＝
±2．
5cm の試 験体にお け る，
第 3ルー
プまで の欠 陥 近 傍の ひずみ分布 の一
例で あ り，
各図中の ひずみ は，
降 伏ひずみ （εy）で 無 次 元 化し た もので あ る。 Fig，
7（a），
（b
）は欠 陥 半 長 12mm の試験 体の軸 方 向ひずみ分 布で，
フ ラ ン ジ中 央 より左右 3cm の位 置に て ん付し た ひずみ ゲー
ジの平 均 値と，
エ ン ドプレー
ト上 面から ゲー
ジてん付 位 置 まで の 距 離との関 係を各 変 位 段 階につ い て示 し て い る。
処 女 ルー
プでは荷重の 増 加に伴い，
局 部ひずみ （こ こで はエ ン ドプレー
ト上面よ り10mm の ひずみ をE，，
同 様に 50一
Φ D♂ed o ＋ 宅 E§
8P
一
4．
o−
2．
0 0 凸一
．
0 2 （じ
m， o ‘．
DCOD〔δ 》
一
ム CURVE Y−
8−
2閥
．
1．
1．
o閥
Ot爾
3．
（a ｝一
〇 D斜ed 〇 ＋ 釜 二言
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一
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凸 CURVE Y−
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【cm ｝ 0 4o ⊂00（δ）一
畠 CURV 匸 Z−
4−
2．
5 〔c ）mm
，
150 mm の ひずみ を is，
EiSと す る）は増加す る が，
その大き さ はモー
メ ン トこう 配の影 響に よ り，E1，
i5
，i
、5 の順と なっ て お り，i15
は荷重反転点付近で も降伏ひ ずみ程 度の大き さである。
除 荷さ れ，
圧 縮 荷 重が作 用す る と，Els
は 圧縮ひずみを生 ずる が，E
，，
E5
は残 留ひず み の存在に よ り， 部材の圧縮 変形が卓越す る ま で は引 張 ひずみ と なっ て い る。 さ ら に 圧縮荷重が増加す る と，
は り端 部 が 再降伏 し，
圧 縮 残 留ひずみ が生じ る。
2，3
ルー
プ 目に な る と，
圧縮残留ひずみ と亀裂の発生・
進展に よ り引張 側 荷 重 反 転 点 付 近で は り端 部のひずみ分 布が変 化 し，
a の殖が小さく な る。
Esは そ の 影 響を あ まり受け ないた め， 繰 返 し回 数 が 増 すにつ れ，
iiとi5の値が逆 転す る現 象がみ られ る。一
方，
圧縮 側 荷重反 転点付近 で は ひ ずみ分 布に はあ ま り変化は 認 め ら れ ない。Fig，
7 （c）， （d）は Y−
Series，
制御 変位振 幅Ac ＝
±2．
5cm の 試 験 体の エ ン ドプレー
ト上面よ り1cm
部 分の板 幅 方 向 ひずみ 分 布の一
例を示 し た もの で， （c）は欠 陥 半 長 4 mm ， （d
）は 12mm の試験 体の結果である。
ひずみ ゲー
ジはは りフランジ中心 と，
中心 よ り左 右15mm
，30
mm の位 置に配し て い る。
処 女ルー
プでは引
張荷重の増 加に 伴い欠陥近 傍にひずみ集 中が生 じ，
局 部ひずみの分布性 状は凹 型と なっ て いる。 ま た欠陥長 が増すにつ れ， 中心 より30mm の 部分の ひずみ は応 力の流れを反 映して，
同一
変 位 段 階で小さ く なっ ている の が分か る。
荷 重が反 転 し，
圧縮 荷 重が作用 す る と， 反 転 点の ひずみ分 布 形 状 をその ま ま保 持 するよ うに引 張ひずみが減 少し，
圧縮 側荷 重 反 転 点で は中 心 部の圧縮ひず み が最大 と な る。
2ルー
プ 目に入ると，
欠 陥 半 長 4mm の試 験 体では顕 著な変化 は認 めら れ ない が，12mm
の試 験 体では亀 裂の進 展に よ りひずみ分 布が変 化す る た め，
中心部よ り30mm の ひずみ は減 少して いる。 な お，
部材の初期不整 量等の存 在よ り亀 裂が均 等に進 展し ないた め，
左 右の ひずみ分 布 性状は非対称とな る。3．
4 繰 返 し曲 げ載 荷 時のCOD 一
は り先端 変位の関 係Fig．
8 （a）一
（c）に繰 返し曲げ載 荷時の COD （δ） とは り先 端 変 位 （A）との 関係を示す。
どの試 験 体も各 サ イ クル内で荷重増加に伴い，COD
（δ），
は り先 端 変 位 （△） と も徐々 に増 加 し， 引張 側 荷 重 反 転 点で は COD （δ）は 最 大値を とる。
除荷 を行い圧 縮 荷 重がは た らい ても，
は り端 近 傍に は引 張 残 留 変 形が存 在す る た め，
引張 時よ り も ゆるやか にCOD
（δ）が減 少し，
圧縮側荷 重 反 転 点に 至る。
初 期の ルー
プでは こ の時のCOD
（δ）は ほぼ0と なっ ている。
繰 返し回数が増 加す る と，
引張側荷重 反 転 点 付 近で，
亀 裂の進 展に よ るCOD
（δ）の増加により， 安定 して い た ルー
プが 上方に スラ イ ド して ゆ くのが分か る。
この傾向は制御 変位振 幅の大 きな試 験 体ほ ど顕 著で，
初 期 欠 陥長の大 き な試 験 体ほ ど早 期に認め ら れ る。 試 験 Lo 」．
宅 5ε
8 り o．
o．
CDO｛ω＝
D．
75（鴨
m1 「 III o u．
卩 1 II 4 ⊂o■
｝ 6 8 巴 12 4 5 a Io l2 14 翻5 18 20 NCOD（δ＞r1RX CURVES Y
−
SERlES （ム＝
i2．
Ocm 》 z2 24』
26 28甘
・
1・
匸
・
o閣
o し略・
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5 儀 ε 1．
Ao｝
匚OD｛己 ）ロ
0．
75｛顧
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1 II Il 1 1 1o o唇
4◎
‘昌
』
｝ 8 o．
II 「 1 Il 凹 12 46ID 1： 1・ L6 ユo0 2〜 2426 2a NCOD（日）mxCURVESZ
−
SERIES （ム囲
呂
．
t2．
5c而》 1，
1．
o囎
【
叩
．
（b）
Fig
．
9 Relatienships between COD en maximum loads at巳ach cycle 伍 馬
（
呂 ご 告 ‘ ム 2．
o Oo＝
4mmム
0＝
8mm 口u皐
曾2mm Y・
Serie5 ‘ ；Mmber of Cycle5．
αt5＝
5c o，
oD 2 4」
6 3 10．
L2 14 監6 18 20 22 24 26 コ8 N P階RX 匚URVE ムc咢
土2．
5cm 〔a ｝ 6．
4．
23）
L2．
D 00＝
4mm △ 0＝
8mm ロ o弓
12mm Z冒
Serie5 ▲：陥」mber of o ヒ5＝
δcCycle5 o．
o0 2 4 6 8 ■O I〜 94 16 16 20 22 2● 26 23 N P鬥RX 匸URVE ムc5 ±2．
5cm 〔b）体の最 終 的な破 断が近づ く と，
1
サイクル におけるルー
プの ス ライド量が 急増して いる。
また，
圧 縮 側 荷重反転 点のCOD
（δ）も0か ら 次 第に増 加して い る。
こ の現象 は繰 返し数が多く な る ほど明 瞭に現れ，
繰 返し載 荷に よ りは り端に残留変形 が累 積する ため と考え ら れ る。 裏 当 金 溶 接に よ る Z−Series
の 試 験 体では，
同一
欠陥長，
同一
制 御 変 位 振 幅のY −Series
と比 較して，
1サイクル 内 の ルー
プの ス ライ ド量 が 小 さく なっ て い る。 これ は裏 当、
金の存 在によ り， 欠 陥 先 端か ら の亀裂進展 が拘 束され る た め と考え ら れ る。
しか しZ−
Series試 験体で も欠 陥 長 が大き く な ると，
拘束効果は さほど期待で きず，
1サ イ ク ル で の ルー
プの ス ライ ド量が急 増す る傾 向が あ る。
3．
5 各 サ イク ル引 張 側 荷 重 反 転 点に お け るCOD
Fig．
9（a），
（b
）は試 験 体 各ルー
プの引張 側荷重 反 転 点に お けるCOD
（δ）の変 化を欠 陥 半 長 αをパ ラ メー
タ として，
繰 返し回 数と ともに示し た も ので あ る。 制御変 位 振 幅がAc＝
±2．
O cm と小さい 試 験体で は，
繰 返し回 数に 対 しCOD
（δ）は徐々 に増 加し，
安 定な ルー
プの間 はこの状態が継続す る。．
亀 裂の進 展 量 が 大きくなる とCOD
（δ）は 1サ イクル で急 増し部 材 破 断が生 じて いる。 こ れ に対して制 御 変 位 振 幅がA。＝
±2．
5cm，
±3，
0cm の試 験 体では， 繰 返し回 数に対 するCOD （δ）の増 加は 初 期の段 階から著 しく，
ほ と ん ど安定なルー
プ を維 持す ること なく最 終 破 断に至っ て い る。 これ は制御 変位振 幅 が大きいほど， 亀 裂の進 展 速 度が大き く なり，
そ れに対 応 してCOD
（δ） も増 加 する ためと考え ら れ る。一
方， 欠陥長 がCOD
（δ）に及ぼす影 響に『
？い て は，
欠陥長が 大きいほどCOD
（δ）が 急 増し始 める繰 返 し回 数は減 少 し て お り， 1サ イク ル で のCOD
（δ）の増 加量 は増大し てい る。
こ れ は欠 陥 長が大き く な る と，
欠陥先 端 部へ の 応 力 集 中 が 大 きく な り．
，
亀 裂の 進 展が低応力の段階で生 じ る た め と思 わ れ る。
ま た， 裏 当 金 溶 接 に よるZ−Series
に関 して は， 同一
欠 陥 長，
同一
制 御 変 位 振幅 のY −Series
と比 較し て， 繰 返 し回 数に対する COD （δ）’
の増加は緩や か で， δ が急 増し始 める繰 返し回 数も大き く なっ てい る。
こ れ は，
裏 当 金の存 在によ り欠 陥部が開 口す る現 象が拘 束され， 亀 裂の進 展が抑 制さ れ る た め と 考え ら れ る。
またZ−
Seriesは欠 陥 長の変 化に敏感なこ と がこ こ で も認め られ，
欠 陥 長の増 加に対し，COD
の 急 増す る繰 返し回数は著し く減 少し て い る。 §4．
欠陥を有 する柱一
は り接 合 部の 変 形 性 能 限 界と その定 量 化4
．
1欠 陥を有する柱
一
はり接合 部の 変形 性 能 限 界点 こ れまで の欠 陥を有す る接 合部の繰返 し実験で は， 接 合 部の変形 能力を把 握す る た めの限 界 点 として，
欠 陥 先 端 部か ら 亀裂が発生する繰 返し数 （N‘），
または接合部 の載 荷 能 力が初 期の値の何 割か に減少し た時の繰返し 数 （Nr
｝を 採 用し て い る。 しか し亀 裂が発 生 し た後もTabie4 Relationships between Ecc and Eu
SpeGimen
No
．
E6。〔
t
・
cmlEu 〔t・
c田1E60 ！Eu Y＿
4＿
M 11．
3 17．
9 0．
63 Y−
4−
2．
0 111．
O 125．
9 o．
88 Y−
4−
2．
5 63．
9 106，
2 O．
60 Y−
4』
−
3．
o 29．
3 47．
9 0，
61 Y−
8−
M 12．
3 2D．
1 o．
61 Y−
8−
2．
O 70．
1 133．
7 O．
52 Y−
8−
2．
5 39．
6 50．
9 O．
78 Y−
8−
3．
O 26，
4 40．
0 0．
66 Y−
12−
M 9．
8 12．
2 0．
B1 Y−
12−
2．
0 50。
2 64．
9 0．
77 Y−
12−
2．
5 40．
1 62。
5 0。
64 Y−
12−
3．
O 6．
3 26．
0 0．
32 Z−
4−
2．
5 153．
4 198．
5 O．
82 Z−
8−
2．
5 79．
8 98．
O 0．
81 Z−
12曽
2．
5 39，
6 87．
9 0．
45 α 儒一
5・
31♂’
85・
7｝ 〔亀r22ρ cm 》 げ 50 ＼ 儒『
Z・
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31・
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5Gm ）脚
u840あ
伊L
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−
1．
87♂ウ
29．
G5 o 西 【4♂幻．
Ocml 0層
冊
20 ＄ ム ム LoE又
P前men 電ロlRe瓢 鵬
胴
曳 1004 ♂蚣o 工 ム4c＝
藍
2594c＝
念
30目
OO．
0 4．
0 6．
0 12．
0q 寧Fig
．
1．
1 Relationships between half defect length（a）andhystereSiS energy
ゆ
α＝
12，
8 10」 7．
9 3．
02，
5 ゴ昌
4 5 6 10 12 3，
5 ξ 2ρ 1．
5 1，
0，
0＝
9，
4 11．
7 ao △4G誠λ50 』 c且
止
3・
0 臥P駐繭 臼n 且α1 Rpsul畳S o 奄＝
オ2・
Ocml「
lII α21Z2 97 7．
4 1 10 50 10 500Hysteresis Energy
I遜／
％
Fig
．
12
Relationships between hysteresis energy anddenectiQn ampEit ロde（ξ） 接 合 部は良 好な変 形 性 能を有してい る た め
，N
‘は 安 全 側の 目安と は な る が，
接 合 部の変 形 能 力に対し適 正な評 価 を与え て い る と は言い難い。
また観察方法に よ る差や 個 人 差が生 じ や す い。一
方，
ル 用い る場 合 にも，
載荷 能 力の減 少に より繰 返し数を規 定して いる だ けで亀裂そ の もの に対す る検討はな さ れず，
材 料 力 学 的な評 価 法に 限 界が あ る。
し た がっ て，
欠陥を有す る柱一
は り接 合 部 の変形性能 を 正 確に把 握す る た めに は， 破 壊 力 学 的な手 法に よる限 界 点の決 定が必 要と な る。 これに対し，
著者 らは こ れ まで に行っ て き た切 欠付平板の引張 実験1｝で，
SS −
41材がCOD
（δ）＝O．
75 mm で変形 能力に限 界を きたすこと
，
軟 鋼の溶 接 部に は溶 接 熱 影 響は顕 著に は現れ ず，
母 材と溶 着金属の強度が同程 度な らば，
近 似 的にこ の値を 用いるこ と が 可 能で あ ること を示してい る。
一
方，
欠 陥を有す る柱一
は り接 合部の単調曲 げ実験でも， 全 塑 性モー
メ ン ト以降COD
（δ〉とは り先 端の変 位 （△）は 線 形 関係と な る が，COD
（δ）＝
0．
75 mm 付 近で亀裂 進 展の た めこ の関 係 が 崩れ，
COD が急 増して い る。 以 上 の事 実に基づき， 欠 陥 を 有 する柱一
は り接 合 部の繰 返し 曲げ実 験に お い ても，COD
（δ）が 0．
75 mm とな る時点 に着目 し て，実 験 デー
タの整 理 を行っ た。
Fig．
10（a），
（b） は各 サ イクル におけ る引 張 側 反 転 点 時の 荷 重P皿 を 繰 返 し 回数N
と と もに示 した もの で あり，
図 中の 矢 印COD
（δ）；O．
75
mm と なっ た時の繰 返 し数N
，を 示し てい る。
この 図よ りN。 は荷 重の急 激な低 下 点と良く対 応して い る こと が分る。
またTable
4は，
葡重 （P ）一
は り先 端 変 位 （4
） 関 係の部 材 破 断 時における履 歴 吸 収 エ ネル ギー
の総 和 （Eu
）と，COD
（δ）が0．
75
mm に 達し た時 点の履 歴吸収エ ネルギー
の総 和 （E
。 c） を比．
較 し たもの であ り， 部材破断以 前の引張 載 荷 時に荷 重 （P ）一
は り先端変位 （△〉曲 線 が 負こう配 となっ た時に は，
その 時 点 まで の吸 収エ ネル ギー
の総 和 をEu とし て い．
る。
こ の表よ り各 試 験 体のCOD
（δ）が 0．
75 mm と なっ た時の履歴吸収エ ネルギー
の総 和 （E
σe）は破 断 時 （E
∂ の70
％前 後と なっ て お り， 表 中に示し た単 調 載 荷 時の 結果と良い対 応を示し ている。
以 上の結果 を総 合する と，COD
（δ）＝0，
75
mm を欠 陥を有す る接 合 部の破 壊 基 準 と して設 定す るこ と は， 工 学 的 指 標 として妥 当で あると 考え られ る。
4．
2 変 形 性 能の限 界に対 する吸 収エ ネル ギー
量の算 定 従 来，
鋼素 材の疲 労性 状 を 近 似 的に表 現 す るに は， 定 常の応 カー
ひずみ履歴曲線にお け る塑性ひずみ振 幅 εpa， 弾 性ひ ずみ振 幅ε。a，
破 断 圓 数蒔 を 用い たManson −
Coffin
の （1），
（2＞式6］が有 効で あると され て い る。
ε毋 （ハlr）Rp； Cp・
・
…・
…・
……・
………・
…・
・
……・
（1） εea（1V
ノ） He＝Ce − ・………・
……・
・
…・
…………
（2） （1
），
（2 ）式 中Rp
，Re
は材 料の疲 労 特 性によっ て 決ま り，C
ρ，
Ce
は材 料の延 性， 機 械的性 質に よっ て決 ま る定数で あ る。
藤本ら5） はこ の式 を 溶 接 接 合 部にも適 用し，
破断までの 繰返 し回 数の定 量 化 を 試み てい る。
本研究の場合は， 接 合 部に欠 陥 を有し， 曲 げ載 荷 形 式 を とっ ている た め， 部 材の ひずみ振 幅の か わ りに は り先 端の変 位量 （△）を 用い て検 討を進め，
COD （δ）＝
δc す な わち繰 返し回 数がNc と なっ た時の 試 験体の履歴 吸 収 エ ネル ギー
の総和 （Eec
）と欠陥 半長 （α）と の関 係に つ い て考察を行う。 こ こ で，
実欠 陥半長 を単位 長さ で無 次 元化した欠陥半 長 （a＊ ） と， 履 歴 吸 収エ ネルギー
の 総 和 （E。 ，）を全 塑 性モー
メ ン ト時のエ ネルギー
量 （EM
ρ） で無 次 元 化し たEec
／EHp
と の関 係を， 各 制 御変位 振幅 （Ac
）につ いて 直線回帰して求め る と，
Fig．
11に示す よ うに 〔3）式で表され る。
Eoc
／E
”p＝− 5，
31
a 串 十85．
71
（Ac＝
±2．
O
cm ＞Eoc
／E
κρ＝− 2．
98．
a 零十49．
31
（Ac＝
＝
±2．
5
cm ） Eec／EHp＝−
1．
87α＊十29．
05 （△c；
土3．
O cm ）…・
一 ・
一 ・
……・
・
・
・
…
（3 ） これらの式の こう配と切 片の値を さ ら に回帰 分析す る ことにより，
任 意の欠 陥半長 （αつ を有する試験体が，
部 材 全 塑 性モー
メ ン ト時の 変 位 量 （A
ρ〉で無 次 元 化表 示 し た 変 位 振 幅 （ξ：A
。／A
ρ）で繰 返 し載 荷さ れ た場合 の履 歴 吸 収エ ネル ギー
の総 和 （Eσc／EMρ）は （4＞ 式で 求め ること が で きる。 Eσc／E”p＝−
L59XIOT ξ一
2’
62al 十2，
69×1e2ξ一
2’
66・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
（4 ） こ の 関 係 を欠 陥 半 長 （α’）をパ ラメー
タ と して対 数 目 盛 上に表 し たの がFig．12
で， 図中に は実験結果 も合 わ せて示 し てある。
（4 ）式は対 数 目盛 上で ほ ぼ直線 関 係を有して お り， 実 験 結 果ともよい対 応 を示し て い る こ と が理 解で きる。 §5．
結 論 本 論 文で は欠 陥を有 する溶 接 接 合 部の繰 返し曲 げ 実 験 を行い， 非 線 形 破 壊 力 学 的 手 法 を用い て接 合 部 変 形 性 能 の限 界 を決 定し，
そ の定 量 化 を試み た。
以 下に得 られ た 結果 を示す。
（1
）欠 陥 を有す る柱一
は り接 合 部の単 調 曲 げ実 験で は， 欠 陥の有 無によ り接 合 部の変 形 能 力に著しい差 違が あ り，欠 陥 長の増 加に よ り接 合 部の変形 能 力は低 下し た。 また，
COD と は り先 端 変 位 （A
）の関 係は，
部 材の全 塑性モー
メン ト以降ほ ぼ線形で あ る が，COD
がO．
75
mm 付 近でCOD
の増 分が大 き く な り 線 形 関 係が崩れ，
以後急 速な亀裂の伝 播に伴っ てCOD
が急 増 し破 断に 至っ た。
（2） 欠 陥 を 有する柱一
は り接 合 部の繰 返し曲 げ実 験 の荷重 （P ）と はり先 端 変 位 （△）の関係は， 各 試 験 体 につ き， 亀 裂の進 展 量が小さい時 点で は同一
の ルー
プを 描く。
安 定なルー
プを描く 回数は初 期 欠 陥 長， 制 御 変 位 振 幅が大きい試験体ほ ど少な く なっ てい る。 ま たCOD
（δ）と は り先 端 変 位 （A
）の関係につ い て は，
繰 返 し回 数 が増し，
亀 裂の進 展 が 無 視で き な く な る と，
ルー
プがCQD
の増 加する方ヘ ス ライ ド して ゆ く。
こ の現 象は制 御 変 位 振 幅が大きな試 験 体ほど 顕 著であっ た。 （3＞ 裏 当 金 溶 接に よ る Z−Series
の試 験 体で は，
裏 当金の 存 在に より亀裂進展に対す る拘 束効果が 期待で き，
制御 変位振幅が小さ な試験体で は， 欠 陥が接合 部の 疲労性状に及ぼ す影 響は緩和さ れ る傾 向に あっ た。
（4） 著 者 ら がこれ まで に行っ て き た 切 欠 付 平 板の引 張 実 験覃，お よ び欠 陥を有 する柱一
はり接 合 部の単 調 曲 げ実験の結果 よ り，
COD
（δ）＝
・
O．
75
mm を欠 陥を有 する 柱一
は り接 合 部の繰 返し曲 げ実験に対して も，
破 壊 限 界 値 δ，
と して採用 し た。
その繰 り 返 し数 をNc
と すると，
Nc
は引 張 側 反転点 荷 重の急激な低下点と良く対 応して おり，
そ の時 点に おける履 歴吸収エ ネルギー
の 総和は，
破 断 時の 70％ 程 度で，
単調載 荷 時の結 果 と 同様の 傾 向 を 示 し た。 これ らの ことよ り，
設 定 し た δ。は欠 陥を有 す る柱一
は り接 合 部の変 形 性 能の限 界 を示す工 学的な指 標と な ること が分っ た。 （5
）COD
が破 壊 限 界 値δ、と な る時，
すな わち繰 返 し回数がNc
と な る時の履 歴 吸 収エ ネル ギー
と欠 陥 半 長，
制御変位振 幅の関係を求め る た め回 帰 分 析を行い，
任 意の 欠 陥 長，
変 位 振 幅に対 する履 歴 吸 収エ ネルギー
の 総 和の定量化が可 能と な ること を示した。
今 回行つ た実 験で は，
試 験 体 数の関 係 上，
限 ら れ た範 囲 内で の評 価 となっ て いるが，今 後 実 験 デー
タを蓄積し， さ らに詳 細な検 討を行っ てゆきた い。 謝 辞 本研究の研 究 費の一
部は昭 和 58年 度 文 部 省 科 学 研 究 費に よっ たa ま た試験体に関し て は （株 ）巴組 鉄工所に お世 話に なり ま し た。
付 して感 謝 致し ま す。
参 考 文献 1） 小 野徹郎，
中川進一
郎 ：COD
破 壊 基 準によ る 切欠付平板 引 張 実 験の検 討， 欠 陥 を有す る溶 接 接 合 部の破 壊 挙 動に 関す る研 究 その 1，
日 本建築 学 会 構 造 系 諭 文 報 告 集，
第347号，
1985．
1 2）小野徹 郎，
中川進一
郎，
鈴木 孝彦：切欠 付平板の破 壊挙 動に関する数 値 解 析，
欠 陥 を有す る溶 接 接 合部の破 壊 挙 動に関す る研究そ の2，
日本建築 学会 構造系論 文報 告集 第352号， 1985．
63｝ E
．
P．
Popov and V．
V．
Bertero ：Cydic Loading ofSteel Beams and Connections
，
Proc．
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ユ973．
4）金多 潔，
甲津功 夫 ：鋼 構 造は り端部のひずみ履 歴と疲 労 強 度に関す る実 験 的 研 究その 1 定 変 位 制 御 実 験，
日 本建築 学会論 文 報告 集，
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1983．
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6） S
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Manson ：“
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McGraw Hill，
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7） 岡本 修平
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玉 置 光 男 ：高ひずみ の 繰り返し を受け る欠 陥を含む溶接部の変形破壊挙動に関 す る研 究 （その 1），
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8） 中 辻照幸，
藤 盛紀 明 ：鉄 骨 溶 接 部の欠 陥 評 価に関 す る 研 究 （その 1），
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日本建 築 学会 大会 学術講演梗概集，
1976．
9＞ 佐 藤 邦 彦，
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岡 本 修 平 ：切 欠きを有する高 靱 性 溶接1ビー
ム の極 低サイク ル曲 げ疲 労 挙 動，
溶 接 学 会 誌，
第50巻 第2号，
ユ981．
甜 ‘q厂遡 加 な a’
：欠 陥 半 長 α＊ ；単 位 長さ で無 次元化し た 欠 陥半長E
σc ：COD （δ）が δ，と なっ た時の履 歴 吸 収 エ ネルギー
の総 和EMP
：部 材が全 塑 性モー
メ ン トに達 し た時の履 歴 吸収エ ネル ギー
Eu
：部 材 破 断 時の履歴吸収エ ネルギー
の総 和 N ：繰 返し回 数 Nc ：COD
（δ）が δ．と なっ た時の繰返 し回 数 P ：荷 重 Pm ：繰 返し載 荷において引張 側 反 転点時の荷・
重 △ ：は り先 端 変 位量 Ac ：制 御変位 振幅 Aρ ：部 材 全 塑性モー
メ ン ト時の変 位 量 δ：COD
（亀裂開口変 位 量） δc ：COD の破 壊限 界 値 ξ：部 材全 塑性モー
メ ン ト時の変 位 量で無 次 元 化表 示し た変 位 振 幅 （・＝
A
。f
△ρ）SYNOPSIS
UDC:624. 07S.3:624. 078. 014.5
A
STUDY
ON
PLASTIC
DEFORMATION
CAPACITY
0F
BEAM-TO-COLUMN
CONNECTEON
WITH
DEFECT
BY
FRACTURE
MECHAMCS
A
study offracture
behavior
ofdefective
welded connectionsPart
3
by Dr, TETSURO ONO, Prof.,N.I.T. and SHffN･gCHIRO
NAKAGAWA, Chubu E]ectTicPower
Ce.,
Inc., Members of A.I.J.In
previouspaper,fracture
behaviors
of notched platespecimens were studied, and the critical values of the COD were established.On
theotherhand,
finite
'element
analysis of notched plateswere carried out to evaluate the relationshipsbetween
theCOD
and theJ-integral.
The
purpose of thispaperis
todetermine
thecriticalvalue offracture
ofdefective
structural rnembers after crack propagation and therebyto measure quantitativelythefracture
deformability
ofbeam-column
connections under cyilic loading.The results of experiments ondefective
connections are compared with thoseon not¢hed
platespecimens to obtain a relational expresslon of
