不均一な荷重がかかった溶接部の再検討

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溶接専門家の Duane Miller は、STRUCTURE Magazine の 2024 年 2 月号と 3 月号に素晴らしい記事を寄稿しました。この記事では、溶接部に不均一な荷重がかかる可能性がある 10 の条件について説明しました。これらの条件は、設計時に回避または特別な注意を払わない場合、問題となる可能性があります。加えられた荷重により溶接部に均一な応力が生じるという一般的な仮定は、これらの条件には当てはまりません。しかし、そのような想定をまったく行わない設計アプローチを使用している場合はどうなるでしょうか? IDEA StatiCa Connection で実装されているようなコンポーネントベースの有限要素法 (CBFEM) を使用した非弾性解析による接続設計では、溶接部やその他のコンポーネントの応力分布について広範な仮定がありません。接続のさまざまなコンポーネントの剛性に基づく解析では、応力が自然に発生します。この記事では、ミラーの 10 条件をそれぞれ詳しく説明し、非弾性解析による設計時にどのような特別な注意が必要かを特定します。

不均一な荷重がかかった溶接に関連して最も頻繁に発生する 10 の状態

不均一荷重溶接に関する 2024 STRUCTURE 2 部構成シリーズ (2 月号と 3 月号) の中で、著者の Duane Miller は、遭遇する次の一般的な状況を要約しました。

条件 1: フィレットまたは PJP 溝溶接の付け根付近の曲がりによる不均一な荷重

条件 2: 端部荷重がかかった重ね継手の単一の横溶接による不均一な荷重

条件 3: 端部荷重接続の横方向溶接間の間隔が狭いため、荷重が不均一になる

条件 4: せん断ラグによる不均一な荷重

条件 5: 端部荷重接続の長い溶接による不均一な荷重

条件 6: 溶接グループに不均一な荷重がかかるため、不均一な荷重がかかる

条件 7: 溶接によって剛性部材が柔軟な部材に取り付けられるため、荷重が不均一になる

条件 8: 横方向の溶接と縦方向の溶接が組み合わされているため、不均一な荷重がかかっています

条件 9: 溶接部が管状接続の一部であるため、荷重が不均一である

条件 10: 溶接部にボルトまたはリベットが結合されているため、不均一な荷重がかかっている

最初の状態は、フィレットまたは PJP 開先溶接のルート付近の曲げによる不均一な荷重です。 2 番目の条件は、端部荷重がかかった重ね継手の単一の横方向溶接です。この場合、重ね合わせ部品のたわみが十分に抑制されていない場合、ルート付近の曲げにより不均一な荷重が発生する可能性があります。溶接のモデリングは非弾性解析アプローチによって異なりますが、CBFEM では、隅肉溶接と PJP 開先溶接は、多点拘束と溶接の弾塑性挙動を近似する同等の溶接シェル要素を使用してモデル化されます。このモデリング アプローチの重要な点は、溶接のルート部分の曲げ剛性がゼロになることです。その結果、曲げ応力は発生せず、ミラーの記事に示されている詳細については、曲げ剛性の不足によりモデルが不安定になるため、解析は実行されません。ただし、場合によっては、接続の安定性が溶接部の曲げ剛性に依存せず、溶接部の根元付近で曲げ変形が発生する可能性があります。曲げ変形は、解析モデルからのたわんだ形状を検査し、接続部を適切に詳細化することによって回避する必要があります。

3 番目の条件では、端部荷重接続における横方向の溶接間の間隔が狭いため、不均一な荷重が発生します。 CBFEM を使用すると、間隔が溶接の強度に与える影響は最小限になります。図 1 に示す接続を考えてみましょう。幾何学的非線形性がないと、境界条件と偏心によってプレートに大きな曲がりが生じます。膜効果による幾何学的非線形性により曲げが軽減されますが、短い間隔は溶接部に影響を与えません。間隔が非常に短い場合（たとえば、1/2 インチのオーバーラップ）、プレートが降伏して強度が制限されますが、やはり溶接の評価は影響を受けません。非弾性解析によって強度を評価すると、モデルによって捕捉された特定の限界状態をチェックする必要がなくなりますが、最小オーバーラップ距離を規定する AISC 仕様セクション J2.2b(f) の要件などの詳細な要件を満たす必要がなくなるわけではありません。

4 番目の条件では、せん断ラグが懸念されます。図 2 に示す端部荷重重ね継手のような接続にはせん断ラグが存在しますが、せん断ラグが接続の強度に影響するかどうかは不明です。 CBFEM 解析では、この接続のせん断ラグによる溶接強度の低下は検出されませんでしたが、著者が最近行った一連の物理実験でも検出されませんでした。それにもかかわらず、3 番目の条件と同様に、非弾性解析を使用して強度を評価する場合でも、米国溶接協会 (AWS) の詳細要件を満たす必要があります。具体的には、AWS D1.1 条項 4.9.2 では、フラット バーまたはプレート部材の端部接続の重ね継手で長手方向のすみ肉溶接が単独で使用される場合、各隅肉溶接の長さはそれらの間の垂直距離以上でなければならないと規定しています。

端部荷重がかかった接続の長い溶接では、接続された部品間のひずみの互換性により、不均一な荷重が発生します。溶接の端付近の応力は中央付近よりも大きくなりますが、その差は溶接と接続された部品の間の相対的な剛性によって異なります。従来の設計では、溶接部に不均一な負荷がかかるという 5 番目の条件は、長い溶接部の有効長を短くすることで対処されています。非弾性解析による設計では、溶接部と接続部品の剛性が明示的にモデル化され、ひずみの互換性が強化されます。したがって、結果は近似式よりも不均一な荷重の影響をより正確に捉えています。 CBFEM 解析の結果と従来の設計の比較を、大規模な研究に基づいて図 3 に示します。

6 番目の状態は、溶接グループに不均一な、または偏心した荷重がかかっている場合です。従来の設計では、この状況は、AISC マニュアルのパート 8 の表による瞬間回転中心法を使用して対処されることがよくあります。瞬間回転中心法自体は、平衡とひずみの適合性が確実に満たされることを保証すると同時に、方向性強度増加係数の有益な効果も組み込む非線形解析法です。ブラケット プレート接続の瞬間回転中心法と CBFEM を比較すると、CBFEM が不均一な荷重を保守的に捉えていることがわかりました。

条件 7 ～ 10 には複数の可能な荷重パスがあり、一部のパスが他のパスよりも硬いか強いために不均一な荷重が発生します。非弾性解析による設計は、すべてのコンポーネントの剛性が明示的にモデル化され、ひずみの適合性と平衡が強制されるため、これらの条件を適切に評価するのに適しています。

剛体部材を可撓性部材に溶接することが第７の条件である。図 4 に示すような、I 形断面のフランジを横切って張力溶接されたプレートは、条件 7 の典型的な例です。荷重の大部分がフランジを介して直接ウェブに入るより硬い経路に引き寄せられるため、プレートとフランジの間の溶接部には不均一な荷重がかかります。 CBFEM を使用してモデル化すると、溶接応力は I 形部材のウェブで最も高くなります。これらの溶接部は最初に完全に利用され、フランジ先端近くの溶接部分が最大能力に達していない場合でも、接続強度に達したことを示します。 9 番目の条件である管状接続の一部である溶接は、剛性部材を柔軟な部材に溶接する別の例です。繰り返しますが、CBFEM は不均一な荷重を検出し、それに応じて溶接の使用率を計算できます。

8 番目の条件では、横方向の溶接が縦方向の溶接と組み合わされ、横方向の溶接による溶接接続は縦方向の溶接による同様の接続よりも強力ですが延性が低いため、不均一な荷重が発生します。 AISC 仕様では、このような同心円状に荷重がかかる溶接グループに対して式 J2-6 が提供されています。この方程式を実装しなくても、基礎的な動作がモデル化され強度チェックに組み込まれているため、CBFEM は効果をうまく捉えています (図 5)。

不均一な荷重の 10 番目の最後の状態は、溶接がボルトまたはリベットと組み合わされるときに発生します。 AISC 仕様セクション J1.8 では、ボルトと溶接部の間のひずみの互換性が考慮される共通の接合面でのせん断接続の設計においてのみ、ボルトと溶接部が荷重を共有するものとみなすことができます。ボルトと溶接の強度チェックは CBFEM では独立しており、ボルトと溶接が荷重を共有する場合の特別な処理はありません。ボルト、溶接、部材、接続要素の剛性の明示的なモデリングを考慮すると、CBFEM ではひずみの互換性が常に考慮されます。ボルトと溶接が荷重を分担する場合、それぞれに必要な強度は相対的な剛性に基づきます。その結果、AISC 仕様セクション J1.8 にも示されている近似法を使用して得られるものと同様の全体的な強度が得られます。ただし、CBFEM は一般に、張力接続におけるボルトと溶接部の間で荷重を共有することを禁止していません。ユーザーは、物理的な接続に両方が存在する場合でも、張力接続のボルトまたは溶接のいずれかをモデル化することで、このようなケースを回避する必要があります。

Miller の元の記事で評価され、ここで再検討されたような不均一な荷重がかかった溶接は、均一に荷重がかかった溶接よりも効率が低下する可能性があり、従来の設計アプローチにおける一般的な前提に違反するため、特別な注意が必要です。明確に定義された解析モデルは溶接部に均一な荷重がかかることを決して想定していないため、非弾性解析による設計はこれらの溶接部に進む道を提供します。さらに、非弾性解析を使用して、不均一な荷重の影響を軽減するための措置が必要かどうかを特定し、必要に応じて最適な軽減戦略を決定するのに役立ちます。 ■

著者について

マーク・デナビットは、テネシー大学ノックスビル校土木・環境工学科の准教授です。

参考文献

https://www.ideastatica.com/support-center/long-bolted-and-welded-connections-aisc

https://www.ideastatica.com/support-center/bracket-plate-connections-aisc