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「海洋構造物の疲労設計法及び溶接部の品質に関する研究」の報告書

 事業名 海洋構造物の疲労設計法及び溶接部の品質に関する研究
 団体名 日本造船研究協会 注目度注目度5


■事業の内容

(1) 海洋構造物の疲労設計法に関する研究
[1] 各種溶接継手に対する合理的な疲労強度評価法の検討
 スティフナモデルおよびダブラーパッドモデルについての疲労試験を実施し、溶接止端部形状と応力集中係数の算定、疲労き裂長さの測定、破断寿命の測定、応力分布計測及び溶接止端部近傍の応力計測を行うとともに、有限要素法による応力解析等を行い、S-N線図作成の基礎データを得た。
(担当場所:日立、三菱、三井)
[2] 疲労強度に対する板厚効果の合理的評価法の検討
 疲労強度に及ぼす板厚効果を調べるため昨年度に引続き疲労試験(シリーズ試験は次表のとおり)を行った。本年度は非荷重伝達リブ十字継手についてはシリーズAC2、AC3、AC4の疲労試験を行い、溶接付加物寸法が板厚効果に及ぼす影響を調べた。
鋼板はYP36キロ鋼(TMCP鋼)であり、非荷重伝達型の隅肉溶接である。
 疲労強度に及ぼす板厚効果については、昨年度までの試験結果も合せて、継手種類が板厚効果に及ぼす影響、応力解析による板厚効果の原因についての検討を行い、多くの知見を得た。
(担当場所:新日鐵、神鋼、NKK)
[3] ホットスポット応力評価法の検討
 前記大型構造モデル及び基礎継手モデルについて、有限要素法によるホットスポット部の応力分布解析を行い、構造モデルの設計曲線(S-N線図)、疲労強度に及ぼす板厚の効果を調査した。
対象モデル:ブラケットモデル、ダブラーパッドプレートモデル、スティフナーモデル、十字継手基礎試験片、T字継手基礎試験片
応力解析:ブラケットモデル、        6シリーズ
ダブラーパッドブレートモデル、  2シリーズ
スティフナーモデル、       4シリーズ
十字継手、14シリーズ
T字継手、 16シリーズ
(担当場所:三菱、石播、三井、日立、NKK)
継手種類
荷重 シリーズ 溶接付加物
寸法 溶接部
処理法 実施年度 板厚 AC1 0.5t1、0.4t1 As Welded S.61 10、22、40、80 AC2 22mm、16mm As Welded S.62.H.1 10 22、40、80 AC3 10mm、9mm As Welded H.1 10、  40、80 AC4 40mm、32mm As Welded H.1   22、40 PC1 0.5t1、0.4t1 Profild S.62〜63 10、22、40、80 PC2 22mm、16mm Profild S.63   22、40、80

リブ十字

継手

引張り GC1 0.5t1、0.4t1 Toe Grind S.62〜63 10、22、40、80 AT1 0.5t1、0.4t1 As Welded S.61   22、40、80 AT2 22mm、16mm As Welded S.63   22、40、80 PT1 0.5t1、0.4t1 Profiled S.62〜63   22、40、80 PT2 22mm、16mm Profiled S.63   22、40、80

T字継手

曲げ GT1 0.5t1、0.4t1 Toe Grind S.62〜63   22、40、80

アンダーラインは元年度実施分
(2) 海洋構造物の溶接部品質に関する研究
[1] 許容溶接欠陥に関する基礎試験
 次項の鋼管継手のProfiled Weld(Coincheck)条件に合せた基礎継手試験片について疲労試験を行うとともに、これまで得られた試験データをもとに、止端部アンダーカットの疲労強度に及ぼす影響を定量化し、溶接継手の品質管理基準を設定するための予備検討を行った。
(担当場所:新日鐵、住重)
[2] 溶接部の補修本法の検討
 代表的なビード止端部の処理方法であるショットピーニングとTIGドレッシングによって、溶接継手部の強度改善効果を定量的に把握し、強度評価にいかに盛込むかを狙いとして、軸力疲労試験を行った。
(担当場所:石播、住重)
[3] 鋼管継手模型による確認試験
 統一的な海洋構造物の品質基準がない現状に対処するため、構造強度上特に重要な要因である疲労強度をとりあげ、この疲労強度と大きく相関があると考えられる溶接部の品質関係を明確にし、合理的な溶接部の品質基準判定のための根拠を得るために実験的、理論的検討を行うこととし、本年度は、溶接止端処理実施の鋼管継手(T字型鋼管継手、十字型鋼管継手モデル)について2×105、5×106回レベルでの疲労試験を行い、止端処理の疲労強度への効果の明確化、及び昭和61年度より実施申の平板継手の疲労試験結果との対応性及び鋼管継手の疲労強度特性についての基礎データを得た。
(担当場所:川重、NKK)
[4] ホットスポット応力評価法及び疲労亀裂進展解析
 リブ十字およびT字継手モデルについて、有限要素法を用いた詳細な応力解析を行うとともに、2次元境界要素法による応力解析を実施して、溶接継手のホットスポット部の応力状態を明らかにする目的として、本年度は、有限要素法による解析、境界要素法による応力解析と応力集中係数の推定式の提案、基礎継手の疲労亀裂進展解析及び微小亀裂の疲労亀裂伝播解析プログラムの改良について検討し、多くの基礎資料が得られた。
(担当場所:NKK)
■事業の成果

海洋構造物の疲労設計規格は、アレキサンダーキーランドの事故を契機として欧州の船級協会(例えばDnV)や関係官庁(例えば英国エネルギー庁)等で改良充実させた。これらの規格は、実験室の基礎データをもとに作成されたものであり、実機に対する適用実績が少ないため、実機の多岐にわたる形状を持つ構造に対しては無理な適用となり不合理な形状寸法となることが多い。
 しかしながら、これら海洋構造物に関する疲労実験は少なく、上記の要求の妥当性についての実験的検証は必ずしも十分ではない。また、溶接構造物の疲労強度を評価する場合、亀裂の発生が予想される部分(例えばスチフナー構造部分)の応力をいかに算定し、疲労実験データと対応させればよいかは主要な課題ということができる。特に本事業の課題の一つである疲労強度に対する板厚効果の解決には系統的な疲労実験の実施と同時に結果を裏付ける応力解析面からの補強が重要な意味を持つ。
 そこで本研究では、ブラケットモデル、ダブラーパッドプレートモデルについて疲労実験を行うとともに、ブラケットモデル、ダブラーパッドプレートモデル、スチフナモデルの前年度までの試験結果について応力解析を行い、各種溶接継手に対する合理的な疲労強度評価法確立のため(S-N線図作成用)の基礎データを得た。
 また、DEn、DnVなどの海洋構造物溶接継手の疲労設計ルールには板厚効果が取入れられている。この板厚効果は、従来鋼の溶接まま(止端処理なし)で得られており、止端処理等の疲労強度向上策が板厚効果に及ぼす影響は不明である。また、疲労設計ルールの板厚効果の妥当性については世界的な論議を呼んでおり、種々の検討が行われている。このため本研究では、今後海洋構造物に多く使われるであろう高溶接性鋼(TMCP鋼)について溶接継手の疲労強度に及ぼす板厚効果の実験を行い、61年度〜平成元年度に実施した12シリーズの疲労試験結果について各種継手の破断寿命、亀裂発生寿命の比較、Nc/Nf関係、疲労強度の板厚依存性、応力集中係数等を比較・検討し、多くの知見が得られた。
 さらに、海洋構造物の損傷のうち、疲労損傷は考慮すべき重要損傷の一つであり、疲労強度、疲労寿命の入念なチェックのもとに構造設計がなされている。製造面から見ると、この想定した強度を確保するには損傷の起点となることが多い溶接継手部の工作品質をいかに適切に管理し、確保するかが重要となってきており、理論的、実験的根拠に基づいた合理的な溶接品質管理基準が切望されている。ここでは、溶接継手の基本的疲労特性を解明するべく単純形状継手に焦点を当てた基礎継手試験、さらにはこの基礎継手試験結果との対応を調べるために鋼管継手模型による確認試験を実施し、止端部の形状調査をもとにした応力集中係数、亀裂の発生寿命・伝播寿命に関する基礎データの蓄積ができた。また、ビード止端部の代表的な処理方法であるショットピーニング、TIGドレッシングによる溶接継手部の疲労強度改善効果について実験・検討を行い、強度評価上の基礎データを得た。
 以上今年度得られた成果は、次年度に総合的なとりまとめを行い、最適な板骨構造物における構造的応力集中率の提案、溶接部の品質管理基準(案)および合理的な止端処理要領を作成することにより、海洋構造物の設計、建造の有益な資料となるばかりでなく、国際的な適用ルールの改正に大きく役立つ貴重な資料である。





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更新日: 2019年10月19日

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