Research on rational stress calculation method for structural hot-spot stress based fatigue evaluation

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04233
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 判治 剛 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (80452209)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ホットスポット応力 / 溶接継手 / 疲労強度評価 / 維持管理

Outline of Annual Research Achievements

100年鋼橋の実現にむけて，合理的かつ戦略的に維持管理を行うためには，鋼部材の疲労を適切に評価することが重要である．鋼橋に生じる疲労き裂は，橋梁がシステムとして立体的に挙動することによる二次応力に起因するものがほとんどあり，それを従来の公称応力に基づく方法で評価することは難しい．橋梁の立体挙動の影響を直接とりこむことができる方法としてホットスポット応力法がある．ホットスポット応力（HSS）は，30年近く前に提唱された概念ではあるが，依然として完成された手法とはいいがたく，その精緻化が本研究の目的である．本研究は，板厚や面外曲げの影響，板側面のき裂への適用性，疲労限の考え方などについて，疲労試験と有限要素解析による結果を関連付けて整理し，得られた成果と過去の知見を基に，合理的かつ実用的なHSS算出法を提示するものである．
今年度は板側面から生じたき裂（Type"b"き裂）を対象にし，疲労試験および有限要素解析により以下の結果を得た．
・T形鋼のフランジに付加板を溶接した継手では，付加板長手方向に繰返し荷重を与えることにより，板側面の溶接止端からType"b"き裂が発生し，破断に至った．この試験体に対して，IIWの4-8-12mm法を用いてHSSを求めた結果，HSSを公称応力で除して得られる応力集中係数は1.4～2.3の範囲にばらついていた．
・本研究で用いた継手に対して公称応力範囲およびホットスポット応力範囲で疲労寿命を整理した結果，公称応力の場合はFAT71を，HSSの場合はFAT125を下限として分布する傾向が示された．
・継手寸法を様々に変化させた解析を実施した結果，現行の4-8-12mm法から求めたHSSは，板厚が12mm以上かつ板幅が200mm以下であればその影響を受けにくいが，板厚が小さい場合や板幅が大きい場合には高めの値を示す可能性があることが示された．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

フェーズ1にて予定していた疲労試験および有限要素解析による検討はおおむね計画通りに進んでいるが，試験体製作過程において，き裂発生位置に予期せぬ圧縮残留応力が導入されてしまっていたため，試験結果の妥当性を確認するための追加試験を実施中であり，若干の遅れが生じている．なお，十分に挽回できる程度の遅れであり，現在の追加検討が終わり次第，結果をとりまとめて公表する予定である．

Strategy for Future Research Activity

今後は以下の流れで進める予定である．
1) 板の側面上の止端からき裂が生じる継手として，今年度と同様の付加板をT形鋼に溶接した試験体を用いた検討を行い，Type"b"き裂に対するHSS算出法の妥当性を示す．
2) 膜応力と面外曲げ応力の組合せ応力下の疲労き裂に対するHSSの検討を行う．鋼橋で一般的なリブ十字継手もしくは面外ガセット継手を対象とし，軸方向荷重を板厚方向に偏心して与え，軸方向力に面外曲げを付与した条件下で疲労試験を行う．偏心量を調節し，膜応力と面外曲げ応力の比率を変えて実験を行い，各応力の割合と疲労寿命を関連付けて整理する．
3) 比較的大型の疲労試験体による検証実験を行う．設備の制約上，実橋と同条件での疲労試験は不可能ではあるが，可能な限り大型の試験体を用いた疲労試験を行う．
4) 2)の疲労き裂を対象とし，継手形状や寸法，膜応力と面外曲げ応力の比率などをパラメトリックに変化させた有限要素解析を実施する．解析モデルの溶接止端には曲率半径（例えば1mm）を設けておき，溶接止端位置の局所応力分布もあわせて求める．なお本検討の中では，断面内での膜応力成分，面外曲げ応力成分，溶接部の局所的応力集中による応力増分をそれぞれ分離して考えることが重要な点である．
5) 疲労試験結果と，解析により得られたHSSと局所応力の関係から，疲労寿命と相関の高いホットスポット応力算出法を明らかにする．