By Jeffrey A. Packer
Bahen/Tanenbaum Professor of Civil Engineering, University of Toronto, Ontario, Canada
低温サービスまたは動的負荷アプリケーションでは、部品の脆性破壊の可能性のため、ノッチの靭性に合った鋼の選択が非常に重要になります。 材料の靭性を評価するために、国際規格では一般的に鋼材のシャルピーVノッチ（CVN）衝撃試験を要求しています。 要求される靭性レベルは、一般的に特定の試験温度（予想される最低使用温度とは異なる場合があります）において、最小のCVN衝撃エネルギー値（KVmin）を達成しなければならないことを表しています。
冷間成形ハイスの靭性は、ハイスの製造に用いられるコイル材料の靭性に加えて、製造中に断面に導入した冷間成形の度合いに依存しています。 図2に示すように、冷間成形は材料靭性を低下させる。 一般に、ハイス製品の断面形状は、その断面に施された冷間成形の度合いを示す良い指標となる。 円形中空断面（CHS）の場合、コイル材はどの位置でも同じ曲率に冷間成形されるため、断面周辺の靭性レベルは一定である。 一方、矩形中空断面（RHS）の場合、「直接成形」か「連続成形」かで冷間成形の度合いが異なり、コーナー部の靭性が平面部の靭性より著しく低くなることがある。 直接成形と連続成形のRHSの材料特性の比較は、Sun and Packer（2014aおよび2014b）で見つけることができます。
冷間成形ハイスの主要米国規格である ASTM A500（2013a）は、ノッチ靭性に関する要求を備えていない。
動的荷重を受ける構造物に適した冷間成形ハイスを提供するために、ASTM A1085-13 (2013b) が最近開発されました。 この規格では、この規格に従って製造されたハイス製品について、管の長手方向（シーム溶接部から離れた方向）に採取したCVN試験片を試験することによって、その靭性をアクセスするものと規定されています。 試験片の平均CVN衝撃値は、フルサイズ（10×10mm、深さ2mmのノッチ付き）試験片に基づき、40°Fで25 ft-lbという最低要件に適合しなければなりません。 このような CVN 靭性レベル（試験場所）は、AASHTO 橋梁設計仕様（2007）に基づく「ゾーン 2」の使用温度範囲（0°F ～ -30°F） における動的荷重の適用に適しています。 ただし，RHS については，ASTM A1085-13 (2013b) が CVN 試験片を管の平らな面から採取するように規定していることに留意する必要がある． CHS とは異なり，RHS では冷間成形の量が不均一であるため，断面周辺の靭性レベルが一定しない．
欧州産ハイス鋼の靭性に及ぼす冷間成形の影響について広範な調査が行われ、総合的なノッチ靭性のための欧州産ハイス鋼の選択に関する現在の規則が形成されました (Feldmann et al., 2012). これらの調査の調査は、Sun and Packer (2014b)に掲載されている。 しかし、これらの試験は主にEN 10219 S355J2H鋼製のハイスで実施されたため、（Feldmannら、2012）の規則はこの材料タイプのみに言及しています（つまり、北米で生産されたハイスには必ずしも適用できません）。
北米のハイスに関する同様の調査は、最近まで限られていました。 トロント大学で異なる断面形状を持ち、異なる方法で製造されたハイスの広範な CVN 試験に基づいて (Kosteski et al., 2005; Sun and Packer, 2014b) 、以下のように結論付けられています:
(1) ノッチ靭性のために RHS を選ぶとき、断面全体が「目的にかなう」ように、平坦面からコーナー (= 弱点 ) への CVN 靭性劣化について真剣に検討することが必要です。 これは、コーナー部を代替測定位置として指定する か、CVN靭性を標準位置（フラットフェイス）で測定した場 合にフラットフェイスからコーナー部までの劣化を考慮す ることで可能となります。 実験の結果（図3参照）、試験したRHSの平坦面と角部のCVNエネルギー-温度曲線の間には、一般的に大きな温度シフト（ΔTcf）があることが分かりました。 このような温度シフトは、RHSの断面形状と冷間成形方法に依存して、最大72°Fになることがある。 従って、コーナー部においてある靭性レベルが求 められる場合、設計者がフラットフェースのCVN靭性 を規定する際に、保守的に72°F の温度シフトを実施 することが可能である。 例えば、RHSの平坦面において-32°F で25 ft-lb という仕様は、ASTM A1085-13 に従ってコーナー部において 40°F で 25 ft-lb の CVN 定格を確保することになります。
(2) CHSの場合、靭性レベルは断面全体で一定なので、ASTM A1085-13の方法をそのまま適用できます。
(3) 肉厚11mm未満のハイスでは、ASTM A370（2009）はサブサイズのCVN試験片を使用することを規定しています。 サブサイズ試験片の幅が小さくなるため、衝撃試験に十分な断面積を確保するためには、狭い側に切り込みを入れる必要があります（つまり、試験片にはハイスの肉厚を貫く切り欠きがあります）（ASTM 2009）。 一方、フルサイズのCVN試験片が可能な厚肉のハイスでは、ASTM A370は、ノッチをハイス表面またはハイス肉厚のいずれかにすることを許可しています。 しかし、実験的証拠（Sun and Packer 2014b）によると、後者のノッチ方向は一般に低いCVN靭性測定値をもたらす。 したがって、厚肉のハイスでは、フルサイズの CVN 試験片は、保守的な試験結果を得るために、厚さ貫通ノッチで加工することが推奨されます。 2007. AASHTO. 2007. “AASHTO LRFD Bridge Design Specifications”、第 4 版。 米国州道路交通局協会、ワシントン DC）
ASTM. 2009. 2009. “Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products”（鋼材の機械的試験に関する標準試験方法および定義）, ASTM A370-09a. American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA.
ASTM.2009「Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing Steel Products」、ASTM A370-09a. 2013a.
ASTM.2013a. “Standard Specification for Cold-Formed Welded and Seamless Carbon Steel Structural Tubing in Rounds and Shapes”, ASTM A500/A500M-13. American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA.
ASTM. 2013b. “Standard Specification for Cold-formed Welded Carbon Steel Hollow Structural Sections (HSS)”, ASTM A1085-13.
Feldmann, M., Eichler, B., Kühn, B., Stranghöner, N., Dahl, W., Langenberg, P., Kouhi, J., Pope, R., Sedlacek, G., Ritakallio, P., Iglesias, G., Puthli, R.S., Packer, J.A. and Krampen, J. 2012.「冷間成形溶接炭素鋼中空構造セクションの標準仕様」(ASTM A1085-13, WCM, West Conshohoken, P., P.A.,2012.p…p.A.p.A.p.)。 「中空断面構造の脆性破壊を回避するための鋼材の選択”. JRC Scientific and Policy Report No.72702, European Commission Joint Research Centre, Luxembourg.
Kosteski, N., Packer, J.A. and Puthli, R.S. 2005.「中空断面構造の脆性破壊を回避するための鋼材の選択」. “Notch Toughness of Internationally Produced Hollow Structural Sections”, Journal of Structural Engineering, American Society of Civil Engineers, Vol.131, No.2, pp.279-286.
Sedlacek, G.A,
Sedlacek, G., M., Kühn, B., Tschickardt, D., Höhler, S., Müller, C., Hensen, W., Stranghöner, N., Dahl, W., Langenberg, P., Münstermann, S., Brozetti, J., Raoul, J., Pope, R. and Bijlaard, F. 2008. EN 1993-1-10 「材料靭性及び貫通厚み特性」及び EN 1993 のその他の靭性指向規則に対する解説と実例」. JRC Scientific and Policy Report No.47278, European Commission Joint Research Centre, Luxembourg.
Sun, M. and Packer, J.A. 2014a.。 “Direct-Formed and Continuous-Formed Rectangular Hollow Sections – Comparison of Static Properties”（直接成形および連続成形長方形中空断面材-静的特性の比較）. Journal of Constructional Steel Research, Vol.92, pp.67-78.
Sun, M. and Packer, J.A. 2014b.「矩形中空断面の直接成形と連続成形-静的特性の比較-」． “冷間成形矩形中空断面のシャルピーVノッチ衝撃靭性”. Journal of Constructional Steel Research, Vol. 97, pp. 114-126.
October 2014
Download PDF