既設接合構造体の補強構造及び補強方法
【課題】リブプレートを有する既設接合構造体を補強するにあたって、構造欠陥の発生を防止しつつ、その耐力、疲労強度の向上を図ることができるうえ、作業性にも優れた構造、方法を提供すること。
【解決手段】柱又は梁として用いられる第１構造部材１１と、第１構造部材１１の端部１１ａに接合された第２構造部材１３と、これらを補剛するためのリブプレート２１とを有する既設接合構造体１において、第２構造部材１３とは反対側に位置するリブプレート端部２１ａの溶接接合部２２を取り囲むように第１構造部材１１の側面に沿って補強部材３１が接合されるとともに、リブプレート２１にその補強部材３１が接合される。これにより、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部における応力集中を緩和しつつ、局所的な応力集中を抑えることが可能となり、既設接合構造体１の耐力、疲労強度の向上を図ることが可能となる。
【解決手段】柱又は梁として用いられる第１構造部材１１と、第１構造部材１１の端部１１ａに接合された第２構造部材１３と、これらを補剛するためのリブプレート２１とを有する既設接合構造体１において、第２構造部材１３とは反対側に位置するリブプレート端部２１ａの溶接接合部２２を取り囲むように第１構造部材１１の側面に沿って補強部材３１が接合されるとともに、リブプレート２１にその補強部材３１が接合される。これにより、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部における応力集中を緩和しつつ、局所的な応力集中を抑えることが可能となり、既設接合構造体１の耐力、疲労強度の向上を図ることが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柱又は梁として用いられる管体等からなる第１構造部材と、第１構造部材の端部に接合された板状部材等からなる第２構造部材と、これらを補剛するためのリブプレートとを有する既設接合構造体の補強構造及び補強方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１１は、従来の既設接合構造体１０１の構成を示す斜視図であり、図１２（ａ）はその側面図である。
【０００３】
従来より、柱や梁として用いられる鋼管等からなる管体１１１と、その管体１１１の端部１１１ａに接合される鋼板等からなる板状部材１１３とを有する既設接合構造体１０１に対しては、これら管体１１１と板状部材１１３とを補剛するために鋼板等からなるリブプレート１２１を接合することが多い。このリブプレート１２１は、管体１１１の主応力方向である軸方向に延びるように配置され、管体１１１の側面と板状部材１１３の側面とに溶接により接合されている。これにより、管体１１１の面外方向に曲げ荷重が負荷されたときに、リブプレート１２１により管体１１１の曲げ変形を拘束することが可能となり、既設接合構造体１０１の強度、剛性の向上を図ることが可能となっている。
【０００４】
このとき、リブプレート１２１は、重量を減らして経済的な設計とするために、板状部材１１３側の板幅が大きく、板状部材１１３とは反対側の板幅が小さくなるように断面質台形状、断面三角形状等に形成されたものを用いることが一般である。
【０００５】
しかしながら、上述のような構造であると、管体１１１の面外方向に曲げ荷重が負荷された場合に、板状部材１１３とは反対側に位置するリブプレート１２１の端部１２１ａの溶接接合部１２２において大きな応力集中が発生してしまうことになる。また、リブプレート１２１の端部１２１ａの溶接接合部１２２は、回し溶接が行なわれることが多いことから、溶接の熱影響により発生する引張残留応力や材質劣化の影響により構造欠陥が発生し易い部位となっている。このため、同構造では、管体１１１の面外方向に曲げ荷重が繰り返し負荷されたときに、その応力集中によりリブプレート１２１の端部１２１ａ近傍の管体１１１において疲労による亀裂が生じ易くなっており、既設接合構造体１０１の崩壊を招く恐れが高いものとなっていた。
【０００６】
これを解決するための既設接合構造体の補強構造としては、例えば、以下のようなものが提案されている。図１２（ｂ）は、従来の既設接合構造体１０１の補強構造１０３の構成を示す側面図である。
【０００７】
この既設接合構造体１０１の補強構造１０３では、リブプレート１２１の端部１２１ａの溶接接合部１２２での溶接ビードを削った後、既設接合構造体１０１の主応力方向と直交するように平板状の鋼板等からなる補強部材１３１をリブプレート１２１の端部１２１ａに突き当てて配置する。そして、補強部材１３１と管体１１１を確実に固定するため、リブプレート１２１とは反対側からこの補強部材１３１を管体１１１の側面に、突合せ溶接により十分な溶け込み量を確保しつつ接合するとともに、応力集中部となるリブプレート１２１の端部１２１ａを補強部材１３１に溶接により接合することとしている。これにより、リブプレート１２１の端部１２１ａの溶接接合部１２２における応力集中が緩和されて、既設接合構造体１０１の耐力、疲労強度の向上を図ることが可能となる。
【０００８】
因みに、既設接合構造体１０１の補強構造１０３とは直接関係はないが、橋梁の主桁の補強構造のような他の技術分野では、特許文献１〜４に記載のような技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−７０５７０号公報
【特許文献２】特開２００６−４５８３３号公報
【特許文献３】特開２００７−１０７１８５号公報
【特許文献４】特開２００７−７７７４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、このような補強構造１０３では、応力集中が生じ得るリブプレート１２１の端部１２１ａの溶接接合部１２２の極めて近くで溶け込み量の大きい突合せ溶接をすることになるため、溶接作業が困難となるうえ、既熱影響部にさらに熱影響を与えるため、引張残留応力や材質変化の影響により依然として構造欠陥を生み出し易くなっており、かえって既設接合構造体１０１の耐力、疲労強度の低下を招きかねないことになっていた。
【００１１】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、リブプレートを有する既設接合構造体を補強するにあたって、構造欠陥の発生を防止しつつ、その耐力、疲労強度の向上を図ることができるうえ、作業性にも優れた既設接合構造体の補強構造及び補強方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上述した課題を解決するために、鋭意検討の末、下記の既設接合構造体の補強構造及び補強方法を発明した。
【００１３】
第１発明に係る既設接合構造体の補強構造は、柱又は梁として用いられる第１構造部材と、前記第１構造部材の端部に接合された第２構造部材と、前記第１構造部材の側面と前記第２構造部材の側面とに溶接により接合されたリブプレートとを有する既設接合構造体の補強構造において、前記第２構造部材とは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記第１構造部材の側面に沿って補強部材が接合されるとともに、前記リブプレートに当該補強部材が接合されることを特徴とする。
【００１４】
第２発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第１発明において、前記補強部材は、前記リブプレートの両側面と前記第１構造部材の側面とに接合されていることを特徴とする。
【００１５】
第３発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第１発明又は第２発明において、前記補強部材は、前記リブプレートと前記第１鋼構造部材との溶接接合部においてスカラップが形成されていることを特徴とする。
【００１６】
第４発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第１発明〜第３発明の何れか一つの発明において、前記補強部材は、前記第２構造部材とは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部に対して５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の間隔を空けて接合されていることを特徴とする。
【００１７】
第５発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第１発明〜第４発明の何れか一つの発明において、前記補強部材は、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下の板厚からなることを特徴とする。
【００１８】
第６発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第１発明〜第５発明の何れか一つの発明において、前記第１構造部材の側面からの高さが２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１９】
第７発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第１発明〜第６発明の何れか一つの発明において、前記補強部材は、前記リブプレートと前記第１構造部材の側面とに溶接により接合されていることを特徴とする。
【００２０】
第８発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第７発明において、前記補強部材の溶接による接合部は、グラインダ処理又はピーニング処理されていることを特徴とする。
【００２１】
第９発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第１発明〜第８発明の何れか一つの発明において、前記補強部材は、前記第１構造部材の側面からの高さについて、前記第２構造部材側が高く、前記第２構造部材とは反対側が低くなるように形成されていることを特徴とする。
【００２２】
第１０発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第１発明〜第９発明の何れか一つの発明において、前記第１構造部材は、管体から構成されており、前記第２構造部材は、板状部材から構成されていることを特徴とする。
【００２３】
第１１発明に係る既設接合構造体の補強方法は、柱又は梁として用いられる第１構造部材と、前記第１構造部材の端部に接合された第２構造部材と、前記第１構造部材の側面と前記第２構造部材の側面とに溶接により接合されたリブプレートとを有する既設接合構造体の補強方法において、前記第２構造部材とは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記第１構造部材の側面に沿って補強部材を接合するとともに、前記リブプレートに前記補強部材を接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
第１発明〜第１１発明によれば、リププレートの端部の溶接接合部における応力集中を緩和することができるうえ、第２構造部材とは反対側の補強部材の端部で応力集中が生じ易い部位を分散させることができ、その結果、局所的に応力集中が生じるのを抑えることが可能となる。これにより、既設接合構造体の耐力、疲労強度の向上を図ることが可能となる。また、補強部材の接合時においてリブプレートの端部と第１構造部材との溶接接合部の極めて近くで溶接することなく作業することができ、作業性に優れているうえ、構造欠陥の発生を防止しつつ上述のような効果を発揮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る既設接合構造体の補強構造の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る既設接合構造体の補強構造の構成を示す側面図である。
【図３】（ａ）は図２のＡ−Ａ線断面図であり、（ｂ）は図３（ａ）の分解図である。
【図４】本発明の実施形態に係る既設接合構造体の補強構造の作用効果について説明するための図である。
【図５】本発明に係る補強部材の形状について説明するための一部拡大側面図である。
【図６】（ａ）は本発明の実施形態に係る補強部材の好ましい寸法条件について確認するために行った構造解析の条件を説明するための既設接合構造体の側面図であり、（ｂ）はその平面図である。
【図７】リブプレートの端部の溶接接合部と補強部材との間隔ｒに対する疲労寿命延命効果の関係について示す図である。
【図８】補強部材の板厚ｔに対する疲労寿命延命効果の関係について示す図である。
【図９】補強部材の高さｈに対する疲労寿命延命効果の関係について示す図である。
【図１０】補強部材の他の形状について説明するための側面図である。
【図１１】従来の既設接合構造体の構成を示す斜視図である。
【図１２】（ａ）は従来の既設接合構造体の構成を示す側面図であり、（ｂ）はその従来の補強構造の構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を適用した既設接合構造体の補強構造及び補強方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施形態に係る既設接合構造体１の補強構造３の構成を示す斜視図であり、図２はその側面図である。また、図３（ａ）は図２のＡ−Ａ線断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の分解図である。
【００２８】
本発明の適用の対象となる既設接合構造体１は、第１構造部材１１と、第１構造部材１１の端部１１ａに接合された第２構造部材１３とを有している。第１構造部材１１は、柱又は梁として用いられるものであり、本実施形態において円形鋼管等からなる管体から構成されている。第２構造部材１３は、本実施形態において鋼板等からなる板状部材から構成されている。既設接合構造体１は、本実施形態において、柱として用いられる第１構造部材１１の端部１１ａに対して、基礎等にアンカーボルト１５により接合される板状部材からなる第２構造部材１３を接合したものを例示している。以下においては、第１構造部材１１を管体１１とし、第２構造部材１３を板状部材１３として説明する。
【００２９】
この既設接合構造体１は、管体１１の主応力方向である軸方向に延びるように配置され、管体１１の側面と板状部材１３の側面とに溶接により接合された複数のリブプレート２１を更に有している。リブプレート２１は、鋼板等から構成されるものであり、管体１１と板状部材１３とを補剛するために、その管体１１の側面及び板状部材１３の側面に溶接により接合されている。
【００３０】
リブプレート２１は、重量を減らして経済的な設計とするために、本実施形態において、板状部材１３側の板幅が大きく、板状部材１３とは反対側の板幅が小さくなるように断面台形状、断面三角形状等に形成されている。
【００３１】
ここで、本実施形態に係る補強構造３においては、応力集中が生じ得るリブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２を取り囲むように、管体１１の側面に沿って補強部材３１が溶接等により接合されており、更に、その補強部材３１がリブプレート２１に溶接等により接合されている。なお、ここでいう応力集中が生じ得るリブプレート２１の端部２１ａとは、第２構造部材１３としての板状部材１３とは反対側に位置するリブプレート２１の端部２１ａのことを意味する。
【００３２】
補強部材３１は、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２に生じ得る応力集中を緩和するものとして機能する。補強部材３１は、リブプレート２１の管体１１に対する溶接接合部２２のうち、応力集中が生じ得るリブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２を少なくとも取り囲むように接合されている。また、補強部材３１は、リブプレート２１に対しては、そのリブプレート２１の両側面に接合されている。補強部材３１を管体１１に溶接により接合するにあたっては、補強部材３１を管体１１に確実に固定するため、その溶接形態として、補強部材３１の両面側又は片面側から突合せ溶接をして十分な溶け込み量を確保できるようにすることが好ましい。
【００３３】
補強部材３１は、筒状に形成された鋼材等からなるものであり、本実施形態においては断面円形筒状の円形鋼管から構成されている。これにより補強部材３１は、板状部材１３とは反対側の端部３１ａが湾曲して形成されることになり、その湾曲した端部３１ａが管体１１に接合されることになる。なお、補強部材３１は、後述のようにその断面形状について特に限定するものではないが、円形鋼管等の断面円形筒状に形成されている場合、実現が非常に容易となり、経済性の観点から好ましい。
【００３４】
補強部材３１は、管体１１の側面に接触する接触面３１ｃが、その管体１１の側面に応じた形状となるように形成されている。補強部材３１の接触面３１ｃは、本実施形態において管体１１が円形鋼管から構成されていることから、その管体１１の側面に応じた形状である円弧状に形成されている。
【００３５】
補強部材３１は、図３（ｂ）に示すように、その周方向の一部の範囲に亘って切り欠くような切欠部３３が形成されている。補強部材３１は、その切欠部３３内にリブプレート２１が嵌め込まれたうえで、リブプレート２１の側面に接合されている。
【００３６】
補強部材３１は、リブプレート２１と管体１１との溶接接合部２２においてスカラップ３５が形成されている。このスカラップ３５は、リブプレート２１と管体１１との溶接接合部２２に沿って延びる溶接ビードを避けるように、補強部材３１の一部を切り欠いて形成されるものである。このスカラップ３５があることにより、補強部材３１を管体１１等に溶接により接合するにあたって、リブプレート２１の端部２１ａ以外と管体１１との溶接接合部２２に対して更に溶接することを防止できる。
【００３７】
次に、本発明の作用効果について説明する。図４は、本発明に係る既設接合構造体１の補強構造３の作用効果について説明するための図である。
【００３８】
管体１１の面外方向に曲げ荷重が負荷された場合、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２を取り囲むように補強部材３１が接合されているので、板状部材１３とは反対側の補強部材３１の端部３１ａにおいて応力集中が生じ易くなり、その結果、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２における応力集中が緩和されることになる。
【００３９】
このとき、補強部材３１は、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２を取り囲むように接合されているので、板状部材１３とは反対側の補強部材３１の端部３１ａのような比較的広い範囲Ｓ１に応力集中が生じ易い部位を分散させて、図４に示す方向Ｐ１に伝達させることができ、その結果、局所的に応力集中が生じるのを抑えることが可能となる。そして、この補強部材３１に対して伝達された応力は、補強部材３１がリブプレート２１に接合されているので、リブプレート２１に対して図４に示す方向Ｐ２に伝達された後、板状部材１３に伝達されることになる。
【００４０】
このように、本発明によれば、リププレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２における応力集中を緩和することができるうえ、局所的に応力集中が生じるのを抑えることが可能となっているため、既設接合構造体１の耐力、疲労強度の向上を図ることが可能となる。
【００４１】
また、本発明によれば、補強部材３１の接合時においてリブプレート２１の端部２１ａと管体１１との溶接接合部２２の極めて近くで溶接することなく作業することができ、作業性に優れているうえ、構造欠陥の発生を防止しつつ上述のような効果を発揮することが可能となる。
【００４２】
また、本発明によれば、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２を取り囲むように補強部材３１を管体１１の側面に接合しつつ、その補強部材３１をリブプレート２１の両側面に接合するのみで足りるため、上述の所期の効果を得るうえで補強部材３１の大きさを小さくすることができ、ひいては補強部材３１の重量を軽くすることが可能となる。これにより、補強部材３１を一人の作業員が容易に持ち運び可能となる程度の重さにすることにより、高所にある既設接合構造体１の管体１１の補強作業をするうえでの安全性の向上を図ることが可能となる。
【００４３】
ここで、本発明に係る補強部材３１は、板状部材１３とは反対側の端部３１ａの形状を調整することにより、その補強部材３１の端部３１ａの接合部３２に対する応力集中を更に緩和させることが可能である。例えば、板状部材１３とは反対側に位置する補強部材３１の端部３１ａの管体１１の側面からの高さを高くして、その端部３１ａが先鋭化された形状とならないようにしておけば、その補強部材３１の端部３１ａの接合部３２に対する応力集中を更に緩和させることが可能となる。また、本実施形態に係る補強部材３１のように、板状部材１３とは反対側に位置する補強部材３１の端部３１ａを湾曲させておけば、その端部３１ａが低剛性化されることにより端部３１ａの接合部３２に対する応力集中を更に効果的に緩和させることが可能となる。
【００４４】
なお、上述した実施形態においては、補強部材３１が断面円形筒状の円形鋼管から構成されている例について説明したが、補強部材３１は、図５（ａ）〜図５（ｅ）に示すように、その断面形状については特に限定するものではない。例えば、図５（ａ）に示すように、断面楕円形筒状に形成されていてもよいし、図５（ｂ）に示すように、断面角形筒状に形成されていてもよいし、図５（ｃ）、図５（ｄ）に示すように、断面台形状に形成されていてもよい。また、図５（ｅ）に示すように、板状部材１３側の端部３１ｂが断面角形状に形成され、その板状部材１３とは反対側の端部３１ａが湾曲して形成されていてもよい。
【００４５】
次に、本発明に係る補強部材３１の好ましい寸法条件について説明する。
【００４６】
本発明者は、第１実施形態に係る補強構造３について、図２に示すような、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２と補強部材３１との間隔ｒ、補強部材３１の板厚ｔ、補強部材３１の管体１１からの高さｈが、疲労強度に対してどのような影響を及ぼすか、構造解析により調査することとした。
【００４７】
この構造解析は、ＦＥＭ解析により行うこととした。既設接合構造体１の寸法は図６に示すような条件とし、既設接合構造体１の材質はヤング率が２．０５×１０5Ｎ／ｍｍ2、ポアソン比が０．３である条件とした。また、この構造解析では、補強部材３１の板厚ｔを６ｍｍ、高さｈを２５ｍｍとして間隔ｒを変動させた場合の条件１と、間隔ｒを２００ｍｍ、高さｈを２５ｍｍとして板厚ｔを変動させた場合の条件２と、間隔ｒを２００ｍｍ、板厚ｔを６ｍｍとして高さｈを変動させた場合の条件３との各条件について解析を行った。
【００４８】
また、この構造解析では、管体１１の上端の中央位置Ｚが管体１１と剛結合されているものとし、位置Ｚに方向Ｒの荷重が載荷された場合において、リブプレート２１の端部２１ａの近傍の管体１１に作用する応力を求めることとした。このとき、既設接合構造体１の板状部材１３は拘束されている条件の下で位置Ｚに荷重を載荷するものとした。また、既設接合構造体１に弾性域を超えない範囲の荷重が負荷されるように位置Ｚに荷重を載荷するものとした。
【００４９】
疲労強度を評価するうえでは、まず、構造解析により下記の数式（１１）に記載された応力σ(1.0t)、応力σ(0.4t)を求め、その求めた応力に基づき下記の数式（１１）からホットスポット応力σhsを算出した。このとき、応力σ(1.0t)、応力σ(0.4t)について補強部材３１、４１の接合前後のものを求め、補強部材３１の接合後のホットスポット応力σhsAと、補強部材３１の接合前のホットスポット応力σhsBとを算出した。なお、このホットスポット応力については、文献「川崎重工技報：ホットスポット応力を用いた船殻構造の疲労強度評価，Vol.154，pp.32-33」にも記載されている。
σhs＝１．６７×σ(0.4t)−０．６７×σ(1.0t) ・・・（１１）
σhs ：リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２における管体１１側の溶接止端（以下、ホットスポット部という。）での応力
σ(1.0t) ：ホットスポット部から管体１１の板厚分離れた箇所での応力
σ(0.4t) ：ホットスポット部から管体１１の板厚の０．４倍分離れた箇所での応
【００５０】
次に、補強部材３１の接合前後のホットスポット応力σhsA、σhsBに基づき下記の数式（１２）から疲労寿命延命効果αを求め、この疲労寿命延命効果αにより疲労強度を評価することとした。
α＝σhsB3／σhsA3 ・・・ （１２）
【００５１】
なお、疲労寿命延命効果αは、下記の数式（１３）に示すように、補強部材３１の接合後の疲労寿命ｎAが接合前の疲労寿命ｎBに対してどの程度向上しているかを表す指標値となる数値である。
α＝ｎA／ｎB ・・・ （１３）
【００５２】
ここで、疲労寿命ｎは、下記の数式（１４）〜（１７）から導出される数式（１８）により表せる。このことから、上述の数式（１８）により表された補強部材３１の接合前の疲労寿命ｎBと、接合後の疲労寿命ｎAと、上述の数式（１３）とを結合することによりホットスポット応力σhsa、σhsbの項だけが残り、上述の数式（１２）のように疲労寿命延命効果αをホットスポット応力σhsa、σhsbにより表せることになる。なお、下記の数式（１４）〜（１６）については、文献「鋼構造物の疲労設計指針・同解説，1993年4月25日第１版発行，pp.5-17」にも記載されている。
ΔσR＝（Ｃ0／ｎ）1/3×ＣR×Ｃt ・・・ （１４）
（γb×γw×γi）×Δσα＝ΔσR ・・・ （１５）
Ｃ0＝２×１０6×Δσf ・・・ （１６）
Δσα＝σhs ・・・ （１７）
ｎ＝（２×１０6×Δσf×ＣR3×Ｃt3）／｛（γb×γw×γi）3×σhs3｝・・・（１８）
ΔσR：許容応力範囲（ＭＰａ）
ＣR：平均応力補正係数
Ｃt：板厚補正係数
γb×γw×γi：安全係数
Δσα：設計応力範囲（ＭＰａ）
Δσf：２×１０6回基本許容応力範囲（ＭＰａ）
【００５３】
図８は、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２と補強部材３１との間隔ｒに対する疲労寿命延命効果の関係について示す図である。図９は、補強部材３１の板厚ｔに対する疲労寿命延命効果の関係について示す図である。図１０は、補強部材３１の高さｈに対する疲労寿命延命効果の関係について示す図である。
【００５４】
間隔ｒは、図８に示すように、５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である場合、上述の条件１の下で疲労寿命延命効果が２．０倍以上になることが確認できる。また、間隔ｒが７５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である場合、上述の条件１の下で疲労寿命延命効果が２．５倍以上になることが確認できる。間隔ｒが５０ｍｍ未満の場合は、補強部材３１の湾曲した端部３１ａの曲率が大きくなりすぎ、その端部３１ａから管体１１の広い範囲に応力集中を分散させ難くなるため、疲労寿命延命効果が低くなるものと考えられる。また、間隔ｒが２００ｍｍ超の場合は、補強部材３１とリブプレート２１の端部２１ａとの距離が離れすぎることにより、その補強部材３１によるリブプレート２１の端部２１ａへの拘束効果がほとんど発揮できなくなるため、疲労寿命延命効果が低くなるものと考えられる。
【００５５】
この結果に基づき、間隔ｒの好ましい数値条件として、５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下と設定した。この間隔ｒが５０ｍｍ未満又は２００ｍｍ超であると、上述のような理由により優れた疲労寿命延命効果が得られない。また、間隔ｒが５０ｍｍ未満であると、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２の溶接ビードを削る必要が生じて作業性が悪化するうえ、既熱影響部に大きく熱影響を与えて構造欠陥を招く恐れが高くなるので好ましくない。また、間隔ｒが５０ｍｍ未満であると、補強部材３１をその内周側から突合せ溶接をする場合に、溶接棒を補強部材３１の内周側に入り込ませるのが困難になり溶接作業性が悪化するため好ましくない。また、この間隔ｒが２００ｍｍ超であると、補強部材３１の重量の過度の増大により作業性の低下、コストの増大を招くので好ましくない。また、更に優れた疲労寿命延命効果を得る観点からは、間隔ｒを７５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下とすることが好ましい。また、間隔ｒを７５ｍｍ以上とした場合、上述の作業性、既熱影響部に対する熱影響の観点から更に優れた効果が得られる。間隔ｒを１５０ｍｍ以下とした場合、上述の重量の過度の増大による悪影響を更に抑えることが可能となる。
【００５６】
なお、ここでの間隔ｒは、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２から補強部材３１の全周に亘る範囲での各部位までの間隔を意味する。
【００５７】
また、補強部材３１の板厚ｔは、図９に示すように、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下である場合、上述の条件２の下で疲労寿命延命効果が２．０倍以上になることが確認できる。この結果に基づき、補強部材３１の板厚ｔの好ましい数値条件として、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下と設定した。補強部材３１の板厚ｔが６ｍｍ未満であると、優れた疲労寿命延命効果が得られないうえ、補強部材３１を溶接により接合するにあたって作業性が悪化するので好ましくない。また、板厚ｔが１２ｍｍ超であると、補強部材３１の全板厚に亘る溶け込みが得られるように突合せ溶接をするうえで、補強部材３１の片面につき複数パスの溶接が必要となり、１箇所当たりの溶接作業にかかる時間増加するうえ、補強部材３１の重量の過度の増大により作業性の低下、コストの増大を招くので好ましくない。
【００５８】
また、補強部材３１の高さｈは、図１０に示すように、２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下である場合、上述の条件３の下で疲労寿命延命効果が２．０倍以上になることが確認できる。この結果に基づき、補強部材３１の高さｈの好ましい数値条件として、２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下と設定した。高さｈが２５ｍｍ未満であると、優れた疲労寿命延命効果が得られない。また、高さｈが１００ｍｍ超であると、補強部材３１をその内周側から突合せ溶接する場合に溶接棒を補強部材３１の内周側に入り込ませるのが困難になり溶接作業性の悪化を招くうえ、補強部材３１の重量の過度の増大により作業性の低下、コストの増大を招くので好ましくない。また、補強部材３１の重量の増大による作業性の低下、コストの増加を防止する観点からは、高さｈを５０ｍｍ以下とすることが更に好ましい。
【００５９】
以上、本発明の実施形態の例について詳細に説明したが、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。
【００６０】
例えば、図１０に示すように、本発明に係る補強部材３１は、管体１１の側面からの高さについて、板状部材１３側が高く、その板状部材１３とは反対側が低くなるように形成されていてもよい。これにより、重量を減らして経済的な設計とすることが可能となる。
【００６１】
また、補強部材３１を溶接により接合する場合、その溶接による接合部３２は、グラインダ処理又はピーニング処理されていてもよい。ここでいうグラインダ処理とは、溶接ビードの余盛部形状が滑らかとなるように研削する処理のことをいい、これにより、溶接止端での応力集中を低減することにより疲労強度を高めることが可能となる。また、ここでいうピーニング処理とは、超音波ピーニング、ショットピーニング等のことであり、超音波振動等による打撃を溶接による接合部３２に加えることにより、その接合部３２に圧縮残留応力を導入して疲労強度を高めることが可能となる。
【００６２】
また、上述した実施形態においては、管体１１の周方向に９０°の間隔を空けて接合された四つのリブプレート２１の夫々に補強部材３１が接合されている場合を例示したが、複数のリブプレート２１の何れかに対してのみ補強部材３１が接合されていてもよい。この場合、例えば、管体１１の近傍に壁がある等して何れかのリブプレート２１に補強部材３１を接合するのが困難である場合のような施工上の制約がある場合においても、そのような施工上の制約によることなく補強部材３１を接合することが可能となる。
【符号の説明】
【００６３】
１ ：既設接合構造体
３ ：補強構造
１１ ：第１構造部材（管体）
１１ａ ：端部
１３ ：第２構造部材（板状部材）
１５ ：アンカーボルト
２１ ：リブプレート
２１ａ ：端部
２２ ：溶接接合部
３１ ：補強部材
３１ａ、３１ｂ ：端部
３１ｃ ：接合面
３２ ：接合部
３３ ：切欠部
３５ ：スカラップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柱又は梁として用いられる管体等からなる第１構造部材と、第１構造部材の端部に接合された板状部材等からなる第２構造部材と、これらを補剛するためのリブプレートとを有する既設接合構造体の補強構造及び補強方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１１は、従来の既設接合構造体１０１の構成を示す斜視図であり、図１２（ａ）はその側面図である。
【０００３】
従来より、柱や梁として用いられる鋼管等からなる管体１１１と、その管体１１１の端部１１１ａに接合される鋼板等からなる板状部材１１３とを有する既設接合構造体１０１に対しては、これら管体１１１と板状部材１１３とを補剛するために鋼板等からなるリブプレート１２１を接合することが多い。このリブプレート１２１は、管体１１１の主応力方向である軸方向に延びるように配置され、管体１１１の側面と板状部材１１３の側面とに溶接により接合されている。これにより、管体１１１の面外方向に曲げ荷重が負荷されたときに、リブプレート１２１により管体１１１の曲げ変形を拘束することが可能となり、既設接合構造体１０１の強度、剛性の向上を図ることが可能となっている。
【０００４】
このとき、リブプレート１２１は、重量を減らして経済的な設計とするために、板状部材１１３側の板幅が大きく、板状部材１１３とは反対側の板幅が小さくなるように断面質台形状、断面三角形状等に形成されたものを用いることが一般である。
【０００５】
しかしながら、上述のような構造であると、管体１１１の面外方向に曲げ荷重が負荷された場合に、板状部材１１３とは反対側に位置するリブプレート１２１の端部１２１ａの溶接接合部１２２において大きな応力集中が発生してしまうことになる。また、リブプレート１２１の端部１２１ａの溶接接合部１２２は、回し溶接が行なわれることが多いことから、溶接の熱影響により発生する引張残留応力や材質劣化の影響により構造欠陥が発生し易い部位となっている。このため、同構造では、管体１１１の面外方向に曲げ荷重が繰り返し負荷されたときに、その応力集中によりリブプレート１２１の端部１２１ａ近傍の管体１１１において疲労による亀裂が生じ易くなっており、既設接合構造体１０１の崩壊を招く恐れが高いものとなっていた。
【０００６】
これを解決するための既設接合構造体の補強構造としては、例えば、以下のようなものが提案されている。図１２（ｂ）は、従来の既設接合構造体１０１の補強構造１０３の構成を示す側面図である。
【０００７】
この既設接合構造体１０１の補強構造１０３では、リブプレート１２１の端部１２１ａの溶接接合部１２２での溶接ビードを削った後、既設接合構造体１０１の主応力方向と直交するように平板状の鋼板等からなる補強部材１３１をリブプレート１２１の端部１２１ａに突き当てて配置する。そして、補強部材１３１と管体１１１を確実に固定するため、リブプレート１２１とは反対側からこの補強部材１３１を管体１１１の側面に、突合せ溶接により十分な溶け込み量を確保しつつ接合するとともに、応力集中部となるリブプレート１２１の端部１２１ａを補強部材１３１に溶接により接合することとしている。これにより、リブプレート１２１の端部１２１ａの溶接接合部１２２における応力集中が緩和されて、既設接合構造体１０１の耐力、疲労強度の向上を図ることが可能となる。
【０００８】
因みに、既設接合構造体１０１の補強構造１０３とは直接関係はないが、橋梁の主桁の補強構造のような他の技術分野では、特許文献１〜４に記載のような技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−７０５７０号公報
【特許文献２】特開２００６−４５８３３号公報
【特許文献３】特開２００７−１０７１８５号公報
【特許文献４】特開２００７−７７７４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、このような補強構造１０３では、応力集中が生じ得るリブプレート１２１の端部１２１ａの溶接接合部１２２の極めて近くで溶け込み量の大きい突合せ溶接をすることになるため、溶接作業が困難となるうえ、既熱影響部にさらに熱影響を与えるため、引張残留応力や材質変化の影響により依然として構造欠陥を生み出し易くなっており、かえって既設接合構造体１０１の耐力、疲労強度の低下を招きかねないことになっていた。
【００１１】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、リブプレートを有する既設接合構造体を補強するにあたって、構造欠陥の発生を防止しつつ、その耐力、疲労強度の向上を図ることができるうえ、作業性にも優れた既設接合構造体の補強構造及び補強方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上述した課題を解決するために、鋭意検討の末、下記の既設接合構造体の補強構造及び補強方法を発明した。
【００１３】
第１発明に係る既設接合構造体の補強構造は、柱又は梁として用いられる第１構造部材と、前記第１構造部材の端部に接合された第２構造部材と、前記第１構造部材の側面と前記第２構造部材の側面とに溶接により接合されたリブプレートとを有する既設接合構造体の補強構造において、前記第２構造部材とは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記第１構造部材の側面に沿って補強部材が接合されるとともに、前記リブプレートに当該補強部材が接合されることを特徴とする。
【００１４】
第２発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第１発明において、前記補強部材は、前記リブプレートの両側面と前記第１構造部材の側面とに接合されていることを特徴とする。
【００１５】
第３発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第１発明又は第２発明において、前記補強部材は、前記リブプレートと前記第１鋼構造部材との溶接接合部においてスカラップが形成されていることを特徴とする。
【００１６】
第４発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第１発明〜第３発明の何れか一つの発明において、前記補強部材は、前記第２構造部材とは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部に対して５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の間隔を空けて接合されていることを特徴とする。
【００１７】
第５発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第１発明〜第４発明の何れか一つの発明において、前記補強部材は、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下の板厚からなることを特徴とする。
【００１８】
第６発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第１発明〜第５発明の何れか一つの発明において、前記第１構造部材の側面からの高さが２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１９】
第７発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第１発明〜第６発明の何れか一つの発明において、前記補強部材は、前記リブプレートと前記第１構造部材の側面とに溶接により接合されていることを特徴とする。
【００２０】
第８発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第７発明において、前記補強部材の溶接による接合部は、グラインダ処理又はピーニング処理されていることを特徴とする。
【００２１】
第９発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第１発明〜第８発明の何れか一つの発明において、前記補強部材は、前記第１構造部材の側面からの高さについて、前記第２構造部材側が高く、前記第２構造部材とは反対側が低くなるように形成されていることを特徴とする。
【００２２】
第１０発明に係る既設接合構造体の補強構造は、第１発明〜第９発明の何れか一つの発明において、前記第１構造部材は、管体から構成されており、前記第２構造部材は、板状部材から構成されていることを特徴とする。
【００２３】
第１１発明に係る既設接合構造体の補強方法は、柱又は梁として用いられる第１構造部材と、前記第１構造部材の端部に接合された第２構造部材と、前記第１構造部材の側面と前記第２構造部材の側面とに溶接により接合されたリブプレートとを有する既設接合構造体の補強方法において、前記第２構造部材とは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記第１構造部材の側面に沿って補強部材を接合するとともに、前記リブプレートに前記補強部材を接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
第１発明〜第１１発明によれば、リププレートの端部の溶接接合部における応力集中を緩和することができるうえ、第２構造部材とは反対側の補強部材の端部で応力集中が生じ易い部位を分散させることができ、その結果、局所的に応力集中が生じるのを抑えることが可能となる。これにより、既設接合構造体の耐力、疲労強度の向上を図ることが可能となる。また、補強部材の接合時においてリブプレートの端部と第１構造部材との溶接接合部の極めて近くで溶接することなく作業することができ、作業性に優れているうえ、構造欠陥の発生を防止しつつ上述のような効果を発揮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る既設接合構造体の補強構造の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る既設接合構造体の補強構造の構成を示す側面図である。
【図３】（ａ）は図２のＡ−Ａ線断面図であり、（ｂ）は図３（ａ）の分解図である。
【図４】本発明の実施形態に係る既設接合構造体の補強構造の作用効果について説明するための図である。
【図５】本発明に係る補強部材の形状について説明するための一部拡大側面図である。
【図６】（ａ）は本発明の実施形態に係る補強部材の好ましい寸法条件について確認するために行った構造解析の条件を説明するための既設接合構造体の側面図であり、（ｂ）はその平面図である。
【図７】リブプレートの端部の溶接接合部と補強部材との間隔ｒに対する疲労寿命延命効果の関係について示す図である。
【図８】補強部材の板厚ｔに対する疲労寿命延命効果の関係について示す図である。
【図９】補強部材の高さｈに対する疲労寿命延命効果の関係について示す図である。
【図１０】補強部材の他の形状について説明するための側面図である。
【図１１】従来の既設接合構造体の構成を示す斜視図である。
【図１２】（ａ）は従来の既設接合構造体の構成を示す側面図であり、（ｂ）はその従来の補強構造の構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を適用した既設接合構造体の補強構造及び補強方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施形態に係る既設接合構造体１の補強構造３の構成を示す斜視図であり、図２はその側面図である。また、図３（ａ）は図２のＡ−Ａ線断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の分解図である。
【００２８】
本発明の適用の対象となる既設接合構造体１は、第１構造部材１１と、第１構造部材１１の端部１１ａに接合された第２構造部材１３とを有している。第１構造部材１１は、柱又は梁として用いられるものであり、本実施形態において円形鋼管等からなる管体から構成されている。第２構造部材１３は、本実施形態において鋼板等からなる板状部材から構成されている。既設接合構造体１は、本実施形態において、柱として用いられる第１構造部材１１の端部１１ａに対して、基礎等にアンカーボルト１５により接合される板状部材からなる第２構造部材１３を接合したものを例示している。以下においては、第１構造部材１１を管体１１とし、第２構造部材１３を板状部材１３として説明する。
【００２９】
この既設接合構造体１は、管体１１の主応力方向である軸方向に延びるように配置され、管体１１の側面と板状部材１３の側面とに溶接により接合された複数のリブプレート２１を更に有している。リブプレート２１は、鋼板等から構成されるものであり、管体１１と板状部材１３とを補剛するために、その管体１１の側面及び板状部材１３の側面に溶接により接合されている。
【００３０】
リブプレート２１は、重量を減らして経済的な設計とするために、本実施形態において、板状部材１３側の板幅が大きく、板状部材１３とは反対側の板幅が小さくなるように断面台形状、断面三角形状等に形成されている。
【００３１】
ここで、本実施形態に係る補強構造３においては、応力集中が生じ得るリブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２を取り囲むように、管体１１の側面に沿って補強部材３１が溶接等により接合されており、更に、その補強部材３１がリブプレート２１に溶接等により接合されている。なお、ここでいう応力集中が生じ得るリブプレート２１の端部２１ａとは、第２構造部材１３としての板状部材１３とは反対側に位置するリブプレート２１の端部２１ａのことを意味する。
【００３２】
補強部材３１は、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２に生じ得る応力集中を緩和するものとして機能する。補強部材３１は、リブプレート２１の管体１１に対する溶接接合部２２のうち、応力集中が生じ得るリブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２を少なくとも取り囲むように接合されている。また、補強部材３１は、リブプレート２１に対しては、そのリブプレート２１の両側面に接合されている。補強部材３１を管体１１に溶接により接合するにあたっては、補強部材３１を管体１１に確実に固定するため、その溶接形態として、補強部材３１の両面側又は片面側から突合せ溶接をして十分な溶け込み量を確保できるようにすることが好ましい。
【００３３】
補強部材３１は、筒状に形成された鋼材等からなるものであり、本実施形態においては断面円形筒状の円形鋼管から構成されている。これにより補強部材３１は、板状部材１３とは反対側の端部３１ａが湾曲して形成されることになり、その湾曲した端部３１ａが管体１１に接合されることになる。なお、補強部材３１は、後述のようにその断面形状について特に限定するものではないが、円形鋼管等の断面円形筒状に形成されている場合、実現が非常に容易となり、経済性の観点から好ましい。
【００３４】
補強部材３１は、管体１１の側面に接触する接触面３１ｃが、その管体１１の側面に応じた形状となるように形成されている。補強部材３１の接触面３１ｃは、本実施形態において管体１１が円形鋼管から構成されていることから、その管体１１の側面に応じた形状である円弧状に形成されている。
【００３５】
補強部材３１は、図３（ｂ）に示すように、その周方向の一部の範囲に亘って切り欠くような切欠部３３が形成されている。補強部材３１は、その切欠部３３内にリブプレート２１が嵌め込まれたうえで、リブプレート２１の側面に接合されている。
【００３６】
補強部材３１は、リブプレート２１と管体１１との溶接接合部２２においてスカラップ３５が形成されている。このスカラップ３５は、リブプレート２１と管体１１との溶接接合部２２に沿って延びる溶接ビードを避けるように、補強部材３１の一部を切り欠いて形成されるものである。このスカラップ３５があることにより、補強部材３１を管体１１等に溶接により接合するにあたって、リブプレート２１の端部２１ａ以外と管体１１との溶接接合部２２に対して更に溶接することを防止できる。
【００３７】
次に、本発明の作用効果について説明する。図４は、本発明に係る既設接合構造体１の補強構造３の作用効果について説明するための図である。
【００３８】
管体１１の面外方向に曲げ荷重が負荷された場合、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２を取り囲むように補強部材３１が接合されているので、板状部材１３とは反対側の補強部材３１の端部３１ａにおいて応力集中が生じ易くなり、その結果、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２における応力集中が緩和されることになる。
【００３９】
このとき、補強部材３１は、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２を取り囲むように接合されているので、板状部材１３とは反対側の補強部材３１の端部３１ａのような比較的広い範囲Ｓ１に応力集中が生じ易い部位を分散させて、図４に示す方向Ｐ１に伝達させることができ、その結果、局所的に応力集中が生じるのを抑えることが可能となる。そして、この補強部材３１に対して伝達された応力は、補強部材３１がリブプレート２１に接合されているので、リブプレート２１に対して図４に示す方向Ｐ２に伝達された後、板状部材１３に伝達されることになる。
【００４０】
このように、本発明によれば、リププレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２における応力集中を緩和することができるうえ、局所的に応力集中が生じるのを抑えることが可能となっているため、既設接合構造体１の耐力、疲労強度の向上を図ることが可能となる。
【００４１】
また、本発明によれば、補強部材３１の接合時においてリブプレート２１の端部２１ａと管体１１との溶接接合部２２の極めて近くで溶接することなく作業することができ、作業性に優れているうえ、構造欠陥の発生を防止しつつ上述のような効果を発揮することが可能となる。
【００４２】
また、本発明によれば、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２を取り囲むように補強部材３１を管体１１の側面に接合しつつ、その補強部材３１をリブプレート２１の両側面に接合するのみで足りるため、上述の所期の効果を得るうえで補強部材３１の大きさを小さくすることができ、ひいては補強部材３１の重量を軽くすることが可能となる。これにより、補強部材３１を一人の作業員が容易に持ち運び可能となる程度の重さにすることにより、高所にある既設接合構造体１の管体１１の補強作業をするうえでの安全性の向上を図ることが可能となる。
【００４３】
ここで、本発明に係る補強部材３１は、板状部材１３とは反対側の端部３１ａの形状を調整することにより、その補強部材３１の端部３１ａの接合部３２に対する応力集中を更に緩和させることが可能である。例えば、板状部材１３とは反対側に位置する補強部材３１の端部３１ａの管体１１の側面からの高さを高くして、その端部３１ａが先鋭化された形状とならないようにしておけば、その補強部材３１の端部３１ａの接合部３２に対する応力集中を更に緩和させることが可能となる。また、本実施形態に係る補強部材３１のように、板状部材１３とは反対側に位置する補強部材３１の端部３１ａを湾曲させておけば、その端部３１ａが低剛性化されることにより端部３１ａの接合部３２に対する応力集中を更に効果的に緩和させることが可能となる。
【００４４】
なお、上述した実施形態においては、補強部材３１が断面円形筒状の円形鋼管から構成されている例について説明したが、補強部材３１は、図５（ａ）〜図５（ｅ）に示すように、その断面形状については特に限定するものではない。例えば、図５（ａ）に示すように、断面楕円形筒状に形成されていてもよいし、図５（ｂ）に示すように、断面角形筒状に形成されていてもよいし、図５（ｃ）、図５（ｄ）に示すように、断面台形状に形成されていてもよい。また、図５（ｅ）に示すように、板状部材１３側の端部３１ｂが断面角形状に形成され、その板状部材１３とは反対側の端部３１ａが湾曲して形成されていてもよい。
【００４５】
次に、本発明に係る補強部材３１の好ましい寸法条件について説明する。
【００４６】
本発明者は、第１実施形態に係る補強構造３について、図２に示すような、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２と補強部材３１との間隔ｒ、補強部材３１の板厚ｔ、補強部材３１の管体１１からの高さｈが、疲労強度に対してどのような影響を及ぼすか、構造解析により調査することとした。
【００４７】
この構造解析は、ＦＥＭ解析により行うこととした。既設接合構造体１の寸法は図６に示すような条件とし、既設接合構造体１の材質はヤング率が２．０５×１０5Ｎ／ｍｍ2、ポアソン比が０．３である条件とした。また、この構造解析では、補強部材３１の板厚ｔを６ｍｍ、高さｈを２５ｍｍとして間隔ｒを変動させた場合の条件１と、間隔ｒを２００ｍｍ、高さｈを２５ｍｍとして板厚ｔを変動させた場合の条件２と、間隔ｒを２００ｍｍ、板厚ｔを６ｍｍとして高さｈを変動させた場合の条件３との各条件について解析を行った。
【００４８】
また、この構造解析では、管体１１の上端の中央位置Ｚが管体１１と剛結合されているものとし、位置Ｚに方向Ｒの荷重が載荷された場合において、リブプレート２１の端部２１ａの近傍の管体１１に作用する応力を求めることとした。このとき、既設接合構造体１の板状部材１３は拘束されている条件の下で位置Ｚに荷重を載荷するものとした。また、既設接合構造体１に弾性域を超えない範囲の荷重が負荷されるように位置Ｚに荷重を載荷するものとした。
【００４９】
疲労強度を評価するうえでは、まず、構造解析により下記の数式（１１）に記載された応力σ(1.0t)、応力σ(0.4t)を求め、その求めた応力に基づき下記の数式（１１）からホットスポット応力σhsを算出した。このとき、応力σ(1.0t)、応力σ(0.4t)について補強部材３１、４１の接合前後のものを求め、補強部材３１の接合後のホットスポット応力σhsAと、補強部材３１の接合前のホットスポット応力σhsBとを算出した。なお、このホットスポット応力については、文献「川崎重工技報：ホットスポット応力を用いた船殻構造の疲労強度評価，Vol.154，pp.32-33」にも記載されている。
σhs＝１．６７×σ(0.4t)−０．６７×σ(1.0t) ・・・（１１）
σhs ：リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２における管体１１側の溶接止端（以下、ホットスポット部という。）での応力
σ(1.0t) ：ホットスポット部から管体１１の板厚分離れた箇所での応力
σ(0.4t) ：ホットスポット部から管体１１の板厚の０．４倍分離れた箇所での応
【００５０】
次に、補強部材３１の接合前後のホットスポット応力σhsA、σhsBに基づき下記の数式（１２）から疲労寿命延命効果αを求め、この疲労寿命延命効果αにより疲労強度を評価することとした。
α＝σhsB3／σhsA3 ・・・ （１２）
【００５１】
なお、疲労寿命延命効果αは、下記の数式（１３）に示すように、補強部材３１の接合後の疲労寿命ｎAが接合前の疲労寿命ｎBに対してどの程度向上しているかを表す指標値となる数値である。
α＝ｎA／ｎB ・・・ （１３）
【００５２】
ここで、疲労寿命ｎは、下記の数式（１４）〜（１７）から導出される数式（１８）により表せる。このことから、上述の数式（１８）により表された補強部材３１の接合前の疲労寿命ｎBと、接合後の疲労寿命ｎAと、上述の数式（１３）とを結合することによりホットスポット応力σhsa、σhsbの項だけが残り、上述の数式（１２）のように疲労寿命延命効果αをホットスポット応力σhsa、σhsbにより表せることになる。なお、下記の数式（１４）〜（１６）については、文献「鋼構造物の疲労設計指針・同解説，1993年4月25日第１版発行，pp.5-17」にも記載されている。
ΔσR＝（Ｃ0／ｎ）1/3×ＣR×Ｃt ・・・ （１４）
（γb×γw×γi）×Δσα＝ΔσR ・・・ （１５）
Ｃ0＝２×１０6×Δσf ・・・ （１６）
Δσα＝σhs ・・・ （１７）
ｎ＝（２×１０6×Δσf×ＣR3×Ｃt3）／｛（γb×γw×γi）3×σhs3｝・・・（１８）
ΔσR：許容応力範囲（ＭＰａ）
ＣR：平均応力補正係数
Ｃt：板厚補正係数
γb×γw×γi：安全係数
Δσα：設計応力範囲（ＭＰａ）
Δσf：２×１０6回基本許容応力範囲（ＭＰａ）
【００５３】
図８は、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２と補強部材３１との間隔ｒに対する疲労寿命延命効果の関係について示す図である。図９は、補強部材３１の板厚ｔに対する疲労寿命延命効果の関係について示す図である。図１０は、補強部材３１の高さｈに対する疲労寿命延命効果の関係について示す図である。
【００５４】
間隔ｒは、図８に示すように、５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である場合、上述の条件１の下で疲労寿命延命効果が２．０倍以上になることが確認できる。また、間隔ｒが７５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である場合、上述の条件１の下で疲労寿命延命効果が２．５倍以上になることが確認できる。間隔ｒが５０ｍｍ未満の場合は、補強部材３１の湾曲した端部３１ａの曲率が大きくなりすぎ、その端部３１ａから管体１１の広い範囲に応力集中を分散させ難くなるため、疲労寿命延命効果が低くなるものと考えられる。また、間隔ｒが２００ｍｍ超の場合は、補強部材３１とリブプレート２１の端部２１ａとの距離が離れすぎることにより、その補強部材３１によるリブプレート２１の端部２１ａへの拘束効果がほとんど発揮できなくなるため、疲労寿命延命効果が低くなるものと考えられる。
【００５５】
この結果に基づき、間隔ｒの好ましい数値条件として、５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下と設定した。この間隔ｒが５０ｍｍ未満又は２００ｍｍ超であると、上述のような理由により優れた疲労寿命延命効果が得られない。また、間隔ｒが５０ｍｍ未満であると、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２の溶接ビードを削る必要が生じて作業性が悪化するうえ、既熱影響部に大きく熱影響を与えて構造欠陥を招く恐れが高くなるので好ましくない。また、間隔ｒが５０ｍｍ未満であると、補強部材３１をその内周側から突合せ溶接をする場合に、溶接棒を補強部材３１の内周側に入り込ませるのが困難になり溶接作業性が悪化するため好ましくない。また、この間隔ｒが２００ｍｍ超であると、補強部材３１の重量の過度の増大により作業性の低下、コストの増大を招くので好ましくない。また、更に優れた疲労寿命延命効果を得る観点からは、間隔ｒを７５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下とすることが好ましい。また、間隔ｒを７５ｍｍ以上とした場合、上述の作業性、既熱影響部に対する熱影響の観点から更に優れた効果が得られる。間隔ｒを１５０ｍｍ以下とした場合、上述の重量の過度の増大による悪影響を更に抑えることが可能となる。
【００５６】
なお、ここでの間隔ｒは、リブプレート２１の端部２１ａの溶接接合部２２から補強部材３１の全周に亘る範囲での各部位までの間隔を意味する。
【００５７】
また、補強部材３１の板厚ｔは、図９に示すように、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下である場合、上述の条件２の下で疲労寿命延命効果が２．０倍以上になることが確認できる。この結果に基づき、補強部材３１の板厚ｔの好ましい数値条件として、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下と設定した。補強部材３１の板厚ｔが６ｍｍ未満であると、優れた疲労寿命延命効果が得られないうえ、補強部材３１を溶接により接合するにあたって作業性が悪化するので好ましくない。また、板厚ｔが１２ｍｍ超であると、補強部材３１の全板厚に亘る溶け込みが得られるように突合せ溶接をするうえで、補強部材３１の片面につき複数パスの溶接が必要となり、１箇所当たりの溶接作業にかかる時間増加するうえ、補強部材３１の重量の過度の増大により作業性の低下、コストの増大を招くので好ましくない。
【００５８】
また、補強部材３１の高さｈは、図１０に示すように、２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下である場合、上述の条件３の下で疲労寿命延命効果が２．０倍以上になることが確認できる。この結果に基づき、補強部材３１の高さｈの好ましい数値条件として、２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下と設定した。高さｈが２５ｍｍ未満であると、優れた疲労寿命延命効果が得られない。また、高さｈが１００ｍｍ超であると、補強部材３１をその内周側から突合せ溶接する場合に溶接棒を補強部材３１の内周側に入り込ませるのが困難になり溶接作業性の悪化を招くうえ、補強部材３１の重量の過度の増大により作業性の低下、コストの増大を招くので好ましくない。また、補強部材３１の重量の増大による作業性の低下、コストの増加を防止する観点からは、高さｈを５０ｍｍ以下とすることが更に好ましい。
【００５９】
以上、本発明の実施形態の例について詳細に説明したが、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。
【００６０】
例えば、図１０に示すように、本発明に係る補強部材３１は、管体１１の側面からの高さについて、板状部材１３側が高く、その板状部材１３とは反対側が低くなるように形成されていてもよい。これにより、重量を減らして経済的な設計とすることが可能となる。
【００６１】
また、補強部材３１を溶接により接合する場合、その溶接による接合部３２は、グラインダ処理又はピーニング処理されていてもよい。ここでいうグラインダ処理とは、溶接ビードの余盛部形状が滑らかとなるように研削する処理のことをいい、これにより、溶接止端での応力集中を低減することにより疲労強度を高めることが可能となる。また、ここでいうピーニング処理とは、超音波ピーニング、ショットピーニング等のことであり、超音波振動等による打撃を溶接による接合部３２に加えることにより、その接合部３２に圧縮残留応力を導入して疲労強度を高めることが可能となる。
【００６２】
また、上述した実施形態においては、管体１１の周方向に９０°の間隔を空けて接合された四つのリブプレート２１の夫々に補強部材３１が接合されている場合を例示したが、複数のリブプレート２１の何れかに対してのみ補強部材３１が接合されていてもよい。この場合、例えば、管体１１の近傍に壁がある等して何れかのリブプレート２１に補強部材３１を接合するのが困難である場合のような施工上の制約がある場合においても、そのような施工上の制約によることなく補強部材３１を接合することが可能となる。
【符号の説明】
【００６３】
１ ：既設接合構造体
３ ：補強構造
１１ ：第１構造部材（管体）
１１ａ ：端部
１３ ：第２構造部材（板状部材）
１５ ：アンカーボルト
２１ ：リブプレート
２１ａ ：端部
２２ ：溶接接合部
３１ ：補強部材
３１ａ、３１ｂ ：端部
３１ｃ ：接合面
３２ ：接合部
３３ ：切欠部
３５ ：スカラップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱又は梁として用いられる第１構造部材と、前記第１構造部材の端部に接合された第２構造部材と、前記第１構造部材の側面と前記第２構造部材の側面とに溶接により接合されたリブプレートとを有する既設接合構造体の補強構造において、
前記第２構造部材とは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記第１構造部材の側面に沿って補強部材が接合されるとともに、前記リブプレートに当該補強部材が接合されること
を特徴とする既設接合構造体の補強構造。
【請求項２】
前記補強部材は、前記リブプレートの両側面と前記第１構造部材の側面とに接合されていること
を特徴とする請求項１記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項３】
前記補強部材は、前記リブプレートと前記第１構造部材との溶接接合部においてスカラップが形成されていること
を特徴とする請求項１又は２記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項４】
前記補強部材は、前記第２構造部材とは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部に対して５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の間隔を空けて接合されていること
を特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項５】
前記補強部材は、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下の板厚からなること
を特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項６】
前記補強部材は、前記第１構造部材の側面からの高さが２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であること
を特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項７】
前記補強部材は、前記リブプレートと前記第１構造部材の側面とに溶接により接合されていること
を特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項８】
前記補強部材の溶接による接合部は、グラインダ処理又はピーニング処理されていること
を特徴とする請求項７記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項９】
前記補強部材は、前記第１構造部材の側面からの高さについて、前記第２構造部材側が高く、前記第２構造部材とは反対側が低くなるように形成されていること
を特徴とする請求項１〜８の何れか１項記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項１０】
前記第１構造部材は、管体から構成されており、
前記第２構造部材は、板状部材から構成されていること
を特徴とする請求項１〜９の何れか１項記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項１１】
柱又は梁として用いられる第１構造部材と、前記第１構造部材の端部に接合された第２構造部材と、前記第１構造部材の側面と前記第２構造部材の側面とに溶接により接合されたリブプレートとを有する既設接合構造体の補強方法において、
前記第２構造部材とは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記第１構造部材の側面に沿って補強部材を接合するとともに、前記リブプレートに前記補強部材を接合すること
を特徴とする既設接合構造体の補強方法。
【請求項１】
柱又は梁として用いられる第１構造部材と、前記第１構造部材の端部に接合された第２構造部材と、前記第１構造部材の側面と前記第２構造部材の側面とに溶接により接合されたリブプレートとを有する既設接合構造体の補強構造において、
前記第２構造部材とは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記第１構造部材の側面に沿って補強部材が接合されるとともに、前記リブプレートに当該補強部材が接合されること
を特徴とする既設接合構造体の補強構造。
【請求項２】
前記補強部材は、前記リブプレートの両側面と前記第１構造部材の側面とに接合されていること
を特徴とする請求項１記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項３】
前記補強部材は、前記リブプレートと前記第１構造部材との溶接接合部においてスカラップが形成されていること
を特徴とする請求項１又は２記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項４】
前記補強部材は、前記第２構造部材とは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部に対して５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の間隔を空けて接合されていること
を特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項５】
前記補強部材は、６ｍｍ以上１２ｍｍ以下の板厚からなること
を特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項６】
前記補強部材は、前記第１構造部材の側面からの高さが２５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であること
を特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項７】
前記補強部材は、前記リブプレートと前記第１構造部材の側面とに溶接により接合されていること
を特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項８】
前記補強部材の溶接による接合部は、グラインダ処理又はピーニング処理されていること
を特徴とする請求項７記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項９】
前記補強部材は、前記第１構造部材の側面からの高さについて、前記第２構造部材側が高く、前記第２構造部材とは反対側が低くなるように形成されていること
を特徴とする請求項１〜８の何れか１項記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項１０】
前記第１構造部材は、管体から構成されており、
前記第２構造部材は、板状部材から構成されていること
を特徴とする請求項１〜９の何れか１項記載の既設接合構造体の補強構造。
【請求項１１】
柱又は梁として用いられる第１構造部材と、前記第１構造部材の端部に接合された第２構造部材と、前記第１構造部材の側面と前記第２構造部材の側面とに溶接により接合されたリブプレートとを有する既設接合構造体の補強方法において、
前記第２構造部材とは反対側に位置する前記リブプレート端部の溶接接合部を取り囲むように前記第１構造部材の側面に沿って補強部材を接合するとともに、前記リブプレートに前記補強部材を接合すること
を特徴とする既設接合構造体の補強方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−２３１６１０（Ｐ２０１１−２３１６１０Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７０１８７（Ｐ２０１１−７０１８７）
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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