Fatigue Durability Evaluation of Steel Bridges Based on Probability Theory

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K13819
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 清水 優 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (30735006)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 鋼床版 / 疲労 / 溶接 / 確率 / ばらつき

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，『抵抗値』側のばらつきと，『作用値』側のばらつきを考慮して鋼床版形式の道路橋の閉断面縦リブ溶接部の疲労寿命を評価する．
『抵抗値』である疲労強度に影響を及ぼす不確定因子として，溶接サイズ，溶け込み，未溶着部の形状等が挙げられる．これらを実測して統計を取った事例はなく，疲労強度への影響度を検討した事例も限られている．溶接サイズ，溶け込み，未溶着部の形状等のばらつきや，き裂発生寿命のばらつきを明らかにするため，実際の橋梁と同条件で溶接を行った小型の試験体を合計30体製作し疲労試験を行っている．き裂発生寿命を記録するためには可能な限りき裂が小さい段階で発見する必要があるため，ひずみゲージを密に配置し，その変動によってき裂の発見を検知した．全疲労試験が終了次第，破断面から溶接部の詳細な形状をシリコン成形材により型取りし計測する．
また，実際の鋼床版形式の道路橋についてFEM解析を実施し，着目する溶接部に生じる応力を求めた．ここで，『作用値』側のばらつきを考慮するため，過去に他機関で計測されたデータをもとに，車種ごとの重量，輪荷重の大きさ，車両の走行位置の確率密度分布を仮定し，溶接部に生じる応力の確率密度分布を求めた．大型車交通量は20～60%で変化させた．本研究では着目する溶接部に生じる応力が確定値ではなく確率密度分布で与えられている点に独自性がある．
また，今後検討する疲労き裂の進展性状については溶接時の引張残留応力も考慮する必要がある．そこで，板厚，溶け込み量を変化させて溶接のシミュレーションを行い，着目する溶接部に生じている残留応力を求めた．溶接部には溶接後に引張残留応力が導入されていることを確認し，今後，き裂の進展に伴ってどのように再配分するのかを検討する予定である．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

１年目は実験の試験体の準備および解析モデルの構築が主な目的である．
実験については，試験体の準備が完了したが，高力ボルトが市場で品薄な状態が続いており納期が約２カ月程度遅れた．そのため，当初の予定よりは疲労試験の進捗に遅れがあるが，本研究では試験体数が多いことから１年目だけでは全ての試験体の疲労試験が終了しないことは想定の範疇である．
解析については当初の予定通り解析モデルを構築することができた．また，解析モデルを構築するだけでなく，それらの解析モデルを用いて車種ごとの重量，輪荷重の大きさ，車両の走行位置の確率密度分布を仮定して求めた溶接部の応力の確率密度分布や，溶接部の各パラメータが残留応力に与える影響を求めることができたため，当初の予定よりも進捗があったといえる．
以上の通り，実験についてはやや遅れがあったものの，解析で想定よりも進捗があったことから研究は概ね順調に進展していると判断した．

Strategy for Future Research Activity

現在実施している小型の疲労試験については，引き続き試験を行い，全ての試験体の疲労試験結果を整理する．また，試験体の破断面から溶接部の詳細な形状をシリコン成形材により型取りし，シリコン成形材の形状を画像計測することによって，溶接部の形状の統計的なデータを取得する．小型の試験体の疲労試験は７～８月中を目途に終了する見込みである．並行して疲労き裂の進展挙動に関する統計的なデータを取得するための中型試験体を製作する．５～６月頃に１０体程度発注し，９～１０月頃に納品される予定である．中型試験体は2019年度～2020年度にかけて疲労試験を実施する予定である．
解析では，溶接サイズ，溶け込み，未溶着部の形状等のパラメータが着目する未溶着部の応力に与える影響を検討する．上記の小型試験体の破断面から計測した溶接部の詳細な形状の確率密度分布を用いることで，解析的に得られる溶接部の応力と，疲労試験より得られた疲労強度との相関を分析する．これらの解析は５～９月の期間において実施する．また，溶接シミュレーションの解析によって，溶接部に導入された残留応力がき裂の進展によってどのように再配分されていくかを検討する．この検討はき裂進展挙動の推定に重要であるが多大な解析時間を有する．2018年度までは名古屋大学のスーパーコンピュータシステムを用いて，研究室で使用している構造解析ソフトを実行できたため短時間で解析を実行できたが，2019年度よりスーパーコンピュータシステムにおける同構造解析ソフトのサポートが終了したため，解析ケースを絞って検討を行う予定である．同解析については，2019年度～2020年度に向けて実施予定である．
2018年度は準備となる期間であったが，2019年度以降は一定の成果が得られるため，それらの成果を論文等で公表する．