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単位:mm 1670

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Academic year: 2022

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(1)5.継手特性 継手の力学特性を確認するため静的引張試験および疲労試験を実施した.. 5.1. 静的引張試験. (1)試験概要 供 試 体 と し て は , 幅 70mm の J E S 継 手 2 体 を 噛 み 合 せ , そ の 遊 間 に セ メ ン ト ミ ル ク を 充 填 し た も の( 以 下 ,Typ e Ⅰ 供 試 体 と 呼 ぶ )と セ メ ン ト ミ ル ク を 充 填 し な い も の( 以 下 ,Typ e Ⅱ 供 試 体 と 呼 ぶ )の 2 種 類 を 比 較 対 照 の た め 作 成 し た .静 的 引 張 試 験 の 概 要 を 図 − 2.14 に 示 す .. 16. 70. 400. JES継手. 400. セメントミルク充填 (TypeⅠ供試体) JES継手. 単位:mm ※ TypeⅡ供試体はセメントミルク未充填 図 ‑2.14. 静的引張試験の概要. 試 験 は ,供 試 体 両 端 部 に 引 張 力 を 作 用 さ せ る 方 法 で 行 い ,載 荷 は ,ア ム ス ラ ー 型 万 能 試 験 機 を 使 用 し ,継 手 部 の 嵌 合 が 離 脱 も し く は 母 材 が 破 断 す る ま で 単 調 載 荷 し た .ま た , 載 荷 荷 重 と 試 験 体 の 変 位 量 の 関 係 を 測 定 す る た め に 標 点 を 設 け ,そ の 標 点 間 距 離 を 測 定 し た . 供 試 体 数 は Typ e Ⅰ 供 試 体 が 4 7 体 , Typ e Ⅱ 供 試 体 が 1 3 体 で あ る . な お , 使 用 材 料の諸元は以下のとおりである. ・JES継手の材質 SM 4 0 0 A - M ( J I S G 3 1 0 6 「 SM 4 0 0 A 」 同 等 の 川 鉄 専 用 規 格 ) f y= 255〜 305MPa, f u= 410〜 455MPa( JIS Z 2241). 39.

(2) ・セメントミルク フ ィ ル コ ン R・ セ メ ン ト タ イ プ ( 住 友 大 阪 セ メ ン ト ) W /C = 5 0 % , σ c = 2 9 .4 〜 4 8 .8 M P a. (2)試験結果 供 試 体 の 破 壊 状 況 を 写 真 ‑2.1, 写 真 ‑ 2 . 2 に 示 す .Typ eⅠ 供 試 体 は ,嵌 合部のセメントミルクの粉砕ととも に変位が急増し,その後主爪の回転 をともないながら,継手の抜け出し が 生 じ , 最 大 耐 力 に 至 っ た . Typ eⅡ 供試体は,JES継手の主爪部のT 字形部分がY字形に変形するととも に,主爪の回転を伴いながら継手の 抜け出しが生じて変位が急増し,さ らに荷重を増加させると,最大耐力 を示した後に爪の離脱が生じたもの と主爪の外側が破断したものの2種. 写 真 ‑2.1. 破 壊 状 況 (TypeⅠ 供 試 体 ). 類の破壊性状を示した.このように Typ e Ⅰ 供 試 体 と Type Ⅱ 供 試 体 が 異 なった破壊性状を示したのは,セメ ントミルクの影響によるものと推定 される. 荷 重 − 変 位 関 係 は 図 ‑2.15 , 図 ‑2.16 に 示 し た . こ こ で の 変 位 は , 載荷過程における標点間距離から載 荷 前 の 標 点 間 距 離 220 mm を 差 し 引 いたものである.いずれの供試体も 若干のばらつきはあるものの,概ね 300kN 程 度 ま で 弾 性 的 な 挙 動 を 示 した後,変曲点を迎えており, Typ e Ⅰ 供 試 体 と Typ e Ⅱ 供 試 体 で 大 きな差異は認められなかった.また,. 写 真 ‑2.2. 破 壊 状 況 (TypeⅡ 供 試 体 ). 母材に比べ,剛性が低く,降伏点が 明 確 に 現 れ な い と い っ た 点 も Typ e Ⅰ 供 試 体 と Typ e Ⅱ 供 試 体 で 共 通 し て い た . し か し な. 40.

(3) が ら ,変 曲 点 以 降 の 挙 動 に つ い て は ,Type Ⅱ 供 試 体 は 破 壊 性 状 に よ ら ず 母 材 と 同 様 に ひ ず み 硬 化 が 生 じ て い る が ,Typ e Ⅰ 供 試 体 で は 荷 重 の 増 加 は あ ま り 見 ら れ ず ,母 材 と は 異 なった挙動を示した.. 600. 重 (kN). 400. 荷. 500. 200. 300. 100 0 0. 5. 10. 15. 変 図 ‑2.15. 20. 位. 25. 30. 35. (mm). J E S 継 手 の 荷 重 − 変 位 関 係 (TypeⅠ 供 試 体 ). 600. (kN). 500 400. 荷 重. 300 200 100 0 0. 5. 10. 15. 変 図 ‑2.16. 20. 位. 25. 30. (mm). J E S 継 手 の 荷 重 − 変 位 関 係 (TypeⅡ 供 試 体 ). 41. 35.

(4) (3)JES継手の引張特性の評価 荷 重 − 変 位 関 係 を 図 ‑2.17 に 示 す . 変 形 挙 動 を バ イ リ ニ ア で モ デ ル 化 し 整 理 し た . 図 中の各記号を以下のように定義した.最大引張荷重Pm は,載荷過程における最大荷重 とし,降伏荷重Py は,変位が急増し始める以前の最大荷重とした.引張剛性Kは,上 限値を降伏荷重の値とし,原点を通る直線と荷重−変位曲線とが交わり,なおかつ割線 に よ り 形 成 さ れ た 面 積 が 等 し く な る 傾 き と し た .終 局 変 位 δ u は ,降 伏 荷 重 P y と 荷 重 − 変 位 曲 線 の 交 わ る 最 大 の 変 位 を δ 1 と し ,こ の 変 位 δ 1 ま で に 荷 重 − 変 位 曲 線 で 囲 ま れ た 面積と原点,降伏荷重Py と曲線の交点を結ぶ直線に囲まれた面積が等価となる変位と し た .な お ,破 壊 エ ネ ル ギ ー G F は 図 ‑ 2 . 1 7 に 示 す モ デ ル 化 さ れ た 荷 重 − 変 位 曲 線 で 囲 ま れ る 面 積 と し た . 表 ‑2 . 4 に 試 験 結 果 か ら 得 ら れ た 各 値 の 一 覧 を 示 す .. 表 ‑2.4 に 示 す. 静 的 引 張 試 験 結 果 を 統 計 処 理 し た 結 果 ,正 規 分 布 へ の 適 合 が 良 好 で あ っ た .Typ eⅠ 供 試 体 の 降 伏 荷 重 に 着 目 し ,J E S 継 手 を 板 厚 1 3 m m の 鋼 板 と 仮 定 し た 場 合 の 断 面 積( 試 験 体 幅 70mm×換 算 板 厚 13mm= 910mm2) で 除 し た 値 を 換 算 引 張 降 伏 強 度 と 定 義 し , 図 ‑ 2 . 1 8 に ヒ ス ト グ ラ ム お よ び 確 率 密 度 関 数 を 示 し た . 図 中 に は , SM 4 0 0 材 の 引 張 降 伏 強 度 の 特 性 値 ( 245MPa) も あ わ せ て 示 し て い る .. P Pm Py. P=P y P=K・δ. 図 ‑2.17. JES継手の引張特性のモデル化. 表 ‑2.4 供試体 Type. Ⅰ. Ⅱ. ※. 供試体数. 47. ※. 13. δ. δ1 δ u. 0. 静的引張試験結果一覧表. 降伏荷重. 最大引張荷重. 引張剛性. 終局変位. 破壊エネルギー. Py [kN]. Pm [kN]. K [kN/mm]. δu [mm]. GF [kN・m]. 最小値. 227.4. 269.1. 241.6. 14.6. 4.08. 最大値. 323.6. 491.9. 516.6. 26.5. 7.77. 平均値. 287.1. 318.8. 378.1. 20.5. 5.77. 最小値. 280.0. 387.4. 188.4. 16.9. 4.92. 最大値. 314.3. 500.0. 500.6. 43.1. 13.28. 平均値. 297.0. 458.5. 335.2. 33.8. 9.87. TypeⅠ供試体の供試体数は,最大引張荷重,終局変位,破壊エネルギーについては46体である.. 42.

(5) 30. 相対度数 [%]. 25 20. 引張降伏強度の 特性値(SM400). 平均値 ・平均値 :309.3MPa ・標準偏差: 19.6MPa ・変動係数:6.3% ・非超過確率 99.9%の下限値 :250.5MPa ・引張降伏強度 の特性値(SM400):245.0MPa. 非超過確率 99.9%. 15 10 5 0 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390. 換算引張降伏強度 [MPa]. 図 ‑2.18. JES継手の換算降伏強度の分布図. (3)まとめ 1 )J E S 継 手 の 引 張 降 伏 強 度 の 特 性 値 は ,継 手 を 板 厚 1 3m m の 鋼 板 に 換 算 す る こ と により,安全側に構造用鋼材の引張降伏強度の特性値を用いることができる. 2 )J E S 継 手 の 引 張 特 性 は ,正 規 分 布 へ の 適 合 が 良 好 で あ り ,J E S 継 手 の 引 張 特 性 は ,セ メ ン ト ミ ル ク が 充 填 さ れ た 供 試 体 の 静 的 引 張 試 験 結 果 を 採 用 す る こ と に よ り安全側に評価できる. 3 )セ メ ン ト ミ ル ク が 充 填 さ れ て い な い 場 合 の J E S 継 手 の 強 度 は ,鋼 材 の 破 断 も し く は 噛 み 合 わ せ の 離 脱 で 決 定 さ れ ,そ の 特 性 は 鋼 材 と ほ ぼ 同 様 で あ る も の の ,セ メ ントミルクが充填されている場合のJES継手の強度は噛み合わせの離脱により 決定され,その強度は鋼材に比べ小さい.. 43.

(6) 5.2. 疲労試験. (1)試験概要 疲 労 試 験 体 形 状 を 図 ‑ 2 . 1 9 に 示 す .供 試 体 は ,静 的 引 張 試 験 同 様 幅 7 0 m m の J E S 継 手 2 体 を 噛 み 合 せ ,そ の 遊 間 に セ メ ン ト ミ ル ク を 充 填 し た も の( 以 下 、Typ e Ⅰ 供 試 体 と 呼 ぶ )と セ メ ン ト ミ ル ク を 充 填 し な い も の( 以 下 、Typ eⅡ 供 試 体 と 呼 ぶ )の 2 種 類 を 比 較対照のため作成した.. 16. 70. 400. JES継手. 400. セメントミルク充填 (TypeⅠ供試体) JES継手. 単位:mm ※ TypeⅡ供試体はセメントミルク未充填 図 ‑2.19. 疲労試験体形状. 試 験 は ,電 気 油 圧 式 サ ー ボ 型 高 速 疲 労 試 験 機 に よ り 試 験 体 両 端 部 に 繰 り 返 し 引 張 力 を 与 え ,継 手 嵌 合 部 に 一 定 応 力 振 幅 を 作 用 さ せ る 方 法 で 行 な っ た .載 荷 は ,正 弦 波 に よ る 荷 重 加 振 振 動 数 8 H z の 片 振 載 荷 と し , 荷 重 振 幅 9 5 .1 〜 2 1 0 k N, 最 小 荷 重 4 .9 k N で 行 な っ た .繰 り 返 し 回 数 は ,継 手 部 の 主 爪 も し く は 副 爪 部 に 亀 裂 を 伴 い 変 位 が 増 大 し ,正 弦 波 の 載 荷 が 不 可 能 と な る ま で 測 定 し た .た だ し ,繰 り 返 し 回 数 が 2 0 0 万 回 を 超 え た 場 合 は , 適 宜 , 試 験 を 終 了 し た . 供 試 体 数 は Typ e Ⅰ 供 試 体 が 48 体 , Typ e Ⅱ 供 試 体 が 3 体 である.なお,使用材料の諸元は以下のとおりである. ・JES継手の材質 SM 4 0 0 A - M ( J I S G 3 1 0 6 「 SM 4 0 0 A 」 同 等 の 川 鉄 専 用 規 格 ) f y= 255〜 305MPa, f u= 410〜 455MPa( JIS Z 2241) ・セメントミルク フ ィ ル コ ン R・ セ メ ン ト タ イ プ ( 住 友 大 阪 セ メ ン ト ) W /C = 5 0 % , σ c = 2 9 .4 〜 4 8 .8 M P a. 44.

(7) (2)試験結果 試 験 体 の 破 壊 性 状 を 写 真 ‑ 2 . 3 〜 2 . 6 に 示 す . Typ e Ⅰ 試 験 体 は , 試 験 体 数 4 8 体 の う ち 37 体 が 破 壊 し た . そ の 破 壊 性 状 は , ① 副 爪 の 内 側 に 亀 裂 が 発 生 (19 体 ) ② 主 爪 に 亀 裂 が 発 生 (12 体 ) ③ 主 爪 と 副 爪 の 両 方 に 亀 裂 が 発 生 (6 体 ) の 3 つ に 分 類 さ れ た .J E S 継 手 の 形 状 は ,副 爪 お よ び 主 爪 へ の 応 力 集 中 が ほ ぼ 同 等 に な る よ う に 決 定 さ れ て お り , こ の た め ,破 断 位 置 は 上 記 3 ケ ー ス に ば ら つ い て い る と 考 え ら れ る が ,こ れ ら の 間 に は 有 意 な 差 は な く ,破 断 位 置 の 差 異 に よ る 疲 労 性 能 へ の 影 響 は 見 ら れ な か っ た .充 填 し た グ ラ ウ ト の 状 態 は , 破 断 し た ケ ー ス に つ い て は 繰 り 返 し 回 数 の 増 加 に 伴 い 圧 縮 力 を 受 け る グ ラ ウ ト 部 が 局 部 的 に 粉 砕 し ,継 手 部 の 目 開 き に よ り 鋼 材 で の 破 断 が 生 じ た .破 断 し な か っ た ケ ー ス に つ い て は ,い ず れ の 荷 重 振 幅 に お い て も 初 期 の 状 態 を 保 持 し て い た .Typ e Ⅱ 供 試 体 は ,主 爪 と 副 爪 お よ び 主 爪 同 士 が 接 触 し た 状 態 と な っ て い る た め ,接 触 位 置 で の 応 力 集 中 が 生 じ ,写 真 ‑ 2 .6 に 示 す よ う な 破 壊 性 状 と なった.. 写 真 ‑2.3. 写 真 ‑2.4. 副爪内側の疲労亀裂. 主爪の疲労亀裂 (TypeⅠ 供 試 体 ). (TypeⅠ 供 試 体 ). 亀裂. 写 真 ‑2.5. 主 爪・副 爪 疲 労 亀 裂. 写 真 ‑2.6. (TypeⅠ 供 試 体 ). 主爪の疲労亀裂 (TypeⅡ 供 試 体 ). 45.

(8) (3)JES継手の疲労特性の評価. JES継手の疲労特性を評価するため,試験結果から得られた換算応力振幅Δσ と 繰 り 返 し 回 数 N の 関 係 を 図 ‑1 に 示 し た . 換 算 応 力 振 幅 は , J E S 継 手 を 板 厚 13mm の 鋼 板 と 評 価 し , そ の 断 面 積 で 荷 重 振 幅 を 除 し た 値 で あ る . 図 中 の 実 線 は Typ e Ⅰ 供 試 体 の う ち 破 断 し た ケ ー ス の み を 対 象 と し , 最 小 二 乗 法 に よ り 求 め た 回 帰 直 線 で あ る .ま た ,図 中 の 破 線 は ,設 計 で 使 用 す る 非 超 過 確 率 9 9 .9 % 下 限 値 の 確 率 線 で あ る .な お ,図 中 に は Typ e Ⅱ 供 試 体 の 応 力 振 幅 と 繰 り 返 し 回 数 の 関 係 を ● 印 で プ ロ ッ ト し た . い ず れ も 同 じ 換 算 応 力 振 幅 の Typ e Ⅰ 供 試 体 の 疲 労 試 験 結 果 に 比 べ 繰 り 返 し 回 数 は 少 な く , 最 も 繰 り 返 し 回 数 が 少 な い デ ー タ は Typ e Ⅰ 供 試 体 の 非 超 過 確 率 9 9 .9 %の 下 限 値 を 下 回 る 結果となった.. 1,000. TypeⅠ供試体(破断) TypeⅠ供試体(未破断). 換算応力振幅Δσ(MPa). Δσ=10. 3.036. /N. 0.137. (非超過確率50.0%). TypeⅡ供試体. 100. Δσ=102.960/N0.137(非超過確率99.9%). 10 1.E+04. 1.E+05. 1.E+06. 1.E+07. 1.E+08. 繰り返し回数N(回). 図 ‑2.20. JES継手の換算応力振幅と繰り返し回数の関係. (4)まとめ a )継 手 の 遊 間 に セ メ ン ト ミ ル ク を 充 填 し た 場 合 ,J E S 継 手 の S − N 曲 線 は 下 式 に て表すことができる.. ∆σ = 10 3.036 N 0.137 46.

(9) b )継 手 の 遊 間 に セ メ ン ト ミ ル ク を 充 填 し な い 場 合 ,セ メ ン ト ミ ル ク を 充 填 し た 場 合 に比べ疲労強度は低下する.. 参考文献 1) 鉄 道 総 合 技 術 研 究 所 編 : 鉄 道 構 造 物 設 計 標 準 ・ 同 解 説. 鋼 ・ 合 成 構 造 物 ,1 9 9 2 年 1 0. 月. 2) 社 団 法 人 日 本 鋼 構 造 協 会 編 : 鋼 構 造 物 の 疲 労 設 計 指 針 ・ 同 解 説 , 2001 年 4 月 . 3) 先 端 建 設 技 術 セ ン タ ー : 先 端 建 設 技 術 ・技 術 審 査 証 明 報 告 書 「 H E P & J E S 工 法 」 ,2 0 0 0 年 11 月 . 4 ) 東 日 本 旅 客 鉄 道 ㈱ 編 : J E S 工 法 設 計 の 手 引 ,2 0 0 0 年 8 月 . 5 )( 財 )鉄 道 総 合 技 術 研 究 所:線 路 下 横 断 構 造 物 設 計 の 手 引 き( 下 路 桁 形 式 ), 1 9 87 年 . 6) 清 水 満 , 森 山 智 明 , 木 戸 素 子 , 桑 原 清 , 森 山 泰 明 : 鋼 製 エ レ メ ン ト を 用 い た 線 路 下 横 断 ト ン ネ ル の 設 計 法 , ト ン ネ ル 工 学 研 究 論 文 ・ 報 告 集 , V o l . 8 , p p . 4 0 7 ‑ 4 1 2 , 1 9 98 年. 7) 三 浦 啓 徳 , 河 野 幹 夫 , 山 口 昭 , 清 水 満 , 渡 邊 明 之 , 有 光 武 : 疲 労 特 性 に 優 れ る JES 形 鋼 の ア ン ダ ー パ ス へ の 適 用 , 川 崎 製 鉄 技 報 , Vol.34, No.4, pp.46‑52, 2002 年 . 8 )鉄 道 総 合 技 術 研 究 所 編:鉄 道 構 造 物 等 設 計 標 準・同 解 説. コ ン ク リ ー ト 構 造 物 ,p p. 74 ,. 1999 年 . 9) 土 木 学 会 : 鋼 構 造 シ リ ー ズ 6. 鋼 構 造 物 の 終 局 強 度 と 設 計 , pp.46, 1994 年 .. 10) 森 山 智 明 , 清 水 満 , 桑 原 清 : 新 し い 低 コ ス ト 線 路 下 横 断 工 法 の 開 発 , ト ン ネ ル と 地 下 , Vol.30, No.8, pp.57‑63, 1999 年 . 1 1 ) A n g , A . H ‑ S . a n d Ta n g , W , H ( 伊 藤 学 , 亀 田 弘 訳 ): 土 木 ・ 建 築 の た め の 確 率 ・ 統 計 の 応 用 , 丸 善 , 1977 年 .. 47.

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