Microsoft PowerPoint - 9溶接 [互換モード]

建築構造学：Ｓ造

溶接接合の設計

張 景耀

溶接接合の設計

E il h @ d j チョウ ケイヨウ 名古屋市立大学 芸術工学部 Email: [email protected] URL: zhang.AIStructure.net

建築構造学・鉄骨造 （鋼構造） 参考書

鋼構造の性能と設計 建築鋼構造―その理論と設計 わかりやすい 2 鋼構造の性能と設計 著者：桑村 仁 出版社：共立出版 建築鋼構造 その理論と設計 著者：井上 一朗, 吹田 啓一郎 出版社: 鹿島出版会 わかりやすい 鉄骨の構造設計 著者：日本鋼構造協会 出版社：技報堂出版

スケジュール

1回目 鋼材の基本（歴史、分類、機械的性質、ひずみ・応力関係）、 引張を受ける部材 3 鋼構造 引張を受ける部材 2回目 圧縮を受ける部材（偏心圧縮、オイラー座屈、細長比、有効 座屈長さ、板の座屈） 3回目 曲げを受ける部材（M-N相関図、全塑性モーメント、塑性崩 壊） 4回目 部材設計 8回目 ボルト・高力ボルト接合の耐力（引張接合、支圧接合、摩擦接 合） 8回目 合） 9回目 溶接の耐力（完全溶込み溶接，隅肉溶接）

鉄骨造の接合部：ボルト接合

柱と梁 柱と梁

鉄骨造の接合部：溶接

5 Video: 東京スカイツリーの鉄骨製造

溶接の方法

溶接(welding)：接合する部 分を加熱し、材料を一体 化させる • シンプルな継手形状が 可能 • 断面欠損なし • 施工時の騒音が小 化させる 6 • 残留ひずみ・応力 • 疲労破壊 • 脆性破壊  溶接継ぎ目 • 開先溶接 完全溶け込み溶接 部分溶け込み溶接 フレア

溶接の強度設計

完全溶け込み溶接，部分溶け込み溶接，フレア • 隅肉溶接 前面・側面・斜方隅肉溶接など • 栓溶接 プラグ溶接，スロット溶接 肉盛溶接 7 • 肉盛溶接

溶接継手の形状

8

・設計図や施工図における溶接継目の形状や寸法の表現

溶接記号

9

溶接記号

10

溶接の強度設計：溶接継目

 完全溶込み溶接 • 全強接合 接合部の耐力が母材の耐力を下回らない オ バ マッチングが条件（建築鉄骨には基本的である）

完全溶込み溶接

• オーバーマッチングが条件（建築鉄骨には基本的である） • 耐力の検定を必要としない • 有効長さは、母材の幅と同じにする

部分溶込み溶接

 部分溶込み溶接  のど厚＜母材の厚さ 13

















,

,

3

3

y e u u e u y e u e

P

F a l

P

F a l

F

F

Q

a l

Q

a l

















軸力： せん断力： F:母材の降伏強さ Fu:母材の引張強さ



部分溶込み溶接

• 軸力とせん断力の組み合わせで作用する場合

部分溶込み溶接

2 2 2 2

,

3

3

e e

P

Q

al

al

F

F





















降伏：

破断

14 2 2

3

F

_u









破断：

部分熔込み溶接は、ルート面が熔け込んでいないので切欠き が内在する構造耐力上重要な接合部で引張が作用する部 分には、完全溶込み溶接を採用すべき  隅肉溶接 • 脚長・サイズ・のど厚 • 有効長さ

0.7

2

s

a





s

隅肉溶接

有効長さ  両端部に所要サイズが確保しにくい • のど断面積：a×l_e

2

e

l

 

L

s

断面内最大の 直角二等辺三角形 15



隅肉溶接

• 有効長さ

l

_e

 

L

2

s

隅肉溶接の有効長さ

16

 隅肉溶接の耐力  側面隅肉の場合 F

隅肉溶接の耐力

 前方隅肉・斜方隅肉の場合









3 3 y e i i u u _{e i} i F P a l F P a l       降伏耐力： 最大耐力： 17













1 0.4 cos 3 1 0.4 cos 3 y i e i i u u i e i i F P a l F P a l           降伏耐力： 最大耐力： F:母材の降伏強さ Fu:母材の引張強さ  アーク溶接  電極間におけるガスや電極物質の放 電で、温度を５０００Ｃ以上に加熱させる 被覆ア ク溶接（ l  l   

アーク溶接

 被覆アーク溶接（manual metal arc  welding） 旧日本相互銀行 18 http://blogs.yahoo.co.jp/t_marufuzy/41539774.html 1952年竣工、2007年解体 日本で最初の全溶接ビル 戦後最初期のモダニズム建築 日本建築学会作品賞の受賞作で 戦後日本建築界のスタートの1ページを 切った作品として確実に列せられる名作  被覆アーク溶接  母材と被覆アーク溶接棒に電圧を与えアークを発生  母材と溶融棒を溶融させる大がかりな装置が不要で機動性がある

被覆アーク溶接

母材と溶融棒を溶融させる大がかりな装置が不要で機動性がある  厚い板を溶接するとき何回も繰り返す必要がある（溶着量が少ない）  溶接棒は乾燥させる必要がある ⇒ 溶接欠陥の原因となる  手溶接  ガスシールドアーク溶接（gas‐shielded arc welding） ・二酸化炭素やアルゴンなどのシールドガスを用いてアーク を大気から遮断

ガスシールドアーク溶接

を大気から遮断

 ガスシールドアーク溶接  混合ガスや酸化性ガスを用いる

ガスシールドアーク溶接

 アクティブガスアーク溶接  マグ(MAG)溶接(metal active gas welding)  不活性ガスを用いる  イナートガスアーク溶接  靱性が高い継ぎ手 21  ミグ(MIG)溶接（metal inert gas welding）  ティグ(TIG)溶接（tungsten inert gas welding）  アーク溶接  サブマージアーク溶接（ submerged arc welding）

サブマージアーク溶接

submerged arc welding）  Ｈ形梁の隅肉溶接に多く応用 22  サブマージアーク溶接（submerged arc welding）

サブマージアーク溶接

 溶接ワイヤの先端をフラックスの中に入れて大気から遮断す る方法  自動溶接  溶着速度が大きく能率的，溶け込みが深くなる  下向きしか溶接できない，溶接線が短い，直線でない場合に は非能率的，高い開先精度が必要 23 は非能率的，高 開先精度が必要  エレクトロスラグ溶接  溶融スラグの電気抵抗によって溶接ワイヤと母材を溶融

エレクトロスラブ溶接

 上向きにしか進まない 24



溶接熱影響

 溶接時，溶接金属に近接した母材は熱的変化を受ける 変質した母材の部分を熱影響部と呼ぶ

溶接の熱影響

 変質した母材の部分を熱影響部と呼ぶ –

HAZ：heat‐affected zone

溶接金属 25 溶接金属 熱影響部 母材原質部 溶接 継手

溶接の熱影響

 溶接熱影響  溶接金属と熱影響部の境目 ボンド  熱影響部は母材よりも硬くなる 合金成分が多いほど  熱影響部は母材よりも硬くなる – 硬化（強さ↑，延性↓） – 脆性破壊しやすい 冷却速度が速いほど 26  鋼材の溶接性（weldability） • 無理のない適切な溶接作業によって良好な溶接品質が得ら れる母材の性質

溶接の熱影響

れる母材の性質 • 指標として低いほうが、溶接性が良い  炭素当量C_eq合金成分の硬さへの寄与を炭素に換算  溶接割れ感受性組成P_cm  溶接割れ感受性指数P_c などがある などがある

炭素の影響

 硬化曲線 • 冷却速度は速いほど、HAZは硬くなる • 溶接入熱が小さく、母材の温度が低く、母材の板厚が大きく

冷却速度による硬化曲線

溶接入熱が小さく、母材の温度が低く、母材の板厚が大きく 冷却速度は速く 29 ボンド脆化：溶接入熱が大きくなると冷却速度が遅くなって、ボンド に近接した熱影響部の結晶粒が粗大化し、切欠き靭性が低下

脆化曲線

30 ・切り欠きを設けた試験片に衝撃力を与えて破壊させる ・ハンマーが試験前後で有する力学的エネルギーの差をシャルピー 吸収エネルギーという

シャルピー衝撃特性

吸収 ネルギ という ・脆性破面率： 脆性破面の面積/全断面積

靭性

・破壊靱性，切欠き靭性，靭性 ・靭性は温度の影響を受ける

溶接変形，溶接ひずみ 溶接継手は冷却過程で収縮し，変形する 横収縮 縦収縮 角変形 縦曲がり変形

溶接変形

横収縮，縦収縮，角変形，縦曲がり変形 あらかじめ縮み代を与えたり，変形を拘束する冶具を設けたり 溶接部付近：変形する ⇔ 周辺の母材：変形を拘束する ⇒残留応力が発生する

溶接変形に伴う残留応力

溶接欠陥

製品を傷つけずに欠陥の状態を調べる - 目視試験 超音波探傷試験

非破壊試験

- 超音波探傷試験

欠陥部分をはつって，補修溶接する

溶接欠陥の補修

延性破壊ductile fracture 塑性ひずみが進行しくびれが生じたのち荷重が低下する途中 で破壊が起こる

延性破壊・脆性破壊

で破壊が起こる 脆性破壊brittle fracture くびれが生じることなく，荷重の低下を見ないで破壊が起こる ① き裂の存在 ② 引張応力の存在 脆性破壊の ② 引張応力の存在 ③ 破壊靱性の不足 発生条件

脆性破面

・単調な静的載荷による破壊応力よりも小さな応力が繰返し作用する ことによって 材料に亀裂が生じる現象 あるいは破断まで至る現象

疲労破壊

ことによって，材料に亀裂が生じる現象，あるいは破断まで至る現象 ・建築物では少ない - 交通車両による活荷重をうける橋梁など ・疲労寿命：部材が破断するまでの繰返し回数 ・高サイクル疲労105_{=10万回以上，低サイクル疲労}

ビーチマーク ‐ 平行な筋が並んだしま模様 亀裂の進展はしま模様に直交

疲労破面

‐ 亀裂の進展はしま模様に直交 ‐ 亀裂の進展が一様でない（応力振幅が一定でない）ときに 生じる ストライエーション ‐ 顕微鏡で確認できる 1サイクルの応力変動で の トライ シ

ストライエーション

‐ 1サイクルの応力変動で一つのストライエーション

繰り返し応力

 応力振幅と破壊までの繰返し回数の関係をプロットしたもの  ディティールによって異なるS‐N曲線が提案されている

S‐N曲線

 疲労限  それ以下の応力振幅では無限回に近い疲労寿命をもつ応 力振幅

疲労限

力振幅  道路橋では200万回の疲労強度を基本としている  突起や切欠きなど応力が急変する部分 • 応力が局部的に上昇・応力集中と呼ぶ

応力集中

• 応力が局部的に上昇・応力集中と呼ぶ  応力集中部=ホットスポット • 応力振幅が大きくなる  接合ディティールによって応力集中の度合いが異なる

応力集中による疲労寿命

・実際の構造物は応力振幅が一定でない変動振幅応力を受ける ・マイナー則（線形累積損傷則）

マイナー則

マイナ 則（線形累積損傷則）

D = 1に達すると疲

D 1に達すると疲

労破壊すると考える

演習問題

下記の条件で、図のような隅肉溶接 に対して、その降伏耐力および最大 耐力を求めてください 耐力を求めてください。 F: 235N/mm2 P Fu: 400N/mm2 l1: 30cm l2: 8cm l 25 49 l3: 25cm l4: 10cm s: 10mm