すみ肉溶接強度計算ツール

すみ肉溶接強度はどのように計算されるか？

すみ肉溶接は、その有効のど厚（継手ルートから溶接表面までの最短距離）を横切って荷重を負担します。等脚すみ肉では、のど厚は 45° 直角三角形の高さに相当するため、のど厚は 0.707 × 脚長となります。溶接部のせん断面積は、このど厚に有効長さと溶接箇所数を乗じたものです。

許容応力設計（AISC ASD）では、のど厚に作用するせん断応力を 0.30 × FEXX に制限します。ここで FEXX は溶接棒の最小引張強さです。したがって E70 溶接棒（FEXX = 483 MPa / 70 ksi）では、0.30 × 483 ≈ 145 MPa（21 ksi）のせん断が許容されます。許容応力にのど厚面積を乗じると、溶接部の荷重耐力が得られます。

利用率は作用荷重をその耐力で除したものです。1.0 未満であれば溶接は十分であり、1.0 を超えると過応力になります。この計算ツールは逆問題 — 所与の荷重を負担するのに必要な最小脚長 — も解くため、当てずっぽうで確認する代わりに溶接を直接サイジングできます。

Formula: t = 0.707 × leg Aw = t × L × n Fw = 0.30 × FEXX Pallow = Fw × Aw util = P / Pallow

計算例

6 mm 等脚すみ肉、長さ 100 mm、1 パス、E70 溶接棒。のど厚 = 0.707 × 6 = 4.24 mm、面積 = 4.24 × 100 = 424 mm²。許容せん断 = 0.30 × 483 = 145 MPa なので、耐力 = 145 × 424 ≈ 61.5 kN。50 kN のせん断荷重では利用率 50/61.5 ≈ 0.81（81%）— 十分です。

この計算ツールを使う場面

• 既知のせん断荷重を負担するブラケット、ガセット、またはラグのすみ肉溶接をサイジングし、脚長と長さが必要な場合
• 既存の溶接が十分かどうかを確認する — 形状と荷重を入力して利用率を直接読み取る
• 溶接棒区分（E60 から E110 まで）を比較し、同じ溶接サイズでより高強度の溶加材がどれだけ耐力を増やすかを確認する
• 荷重に対する最小脚長を求めて過剰溶接を避ける（過剰な脚長は溶加材、時間、入熱を無駄にする）
• 詳細な FEA の前に、溶接記号の指示やショップ図面のレビュー時に許容応力を素早く確認する

避けるべきよくある誤り

• 脚長を荷重負担寸法として使用すること — 耐力は脚長そのものではなく 0.707 × 脚長ののど厚で決まる。脚長でサイジングすると強度を約 41% 過大評価する
• 母材がカバーされていると思い込むこと — これは溶着金属のみの確認であり、連結された板はせん断および引張破断について別途検証しなければならない
• 横方向の方向係数を適用すること — v1 は保守的な長手方向 0.30 × FEXX を使用する。荷重が横方向であると検証していない限り 1.5 倍係数を加えてはならない
• 溶接長さの合計と溶接箇所数を混同すること — 有効長さの全体と個別の溶接箇所数を入力する。すでに合計している場合に片側の長さを 2 倍にしてはならない
• 有効長さの低減を無視すること — 非常に長い溶接、エンドリターン、始端・終端のクレーターは有効長さを低減する。図示長さではなく AWS D1.1 が認める有効長さを使用する

結果の解釈方法

• 利用率が 100% 未満であれば溶接は ASD の下で十分である。値が低いほど、過負荷、疲労、品質ばらつきに対する予備耐力が大きい
• 利用率が 100% 以上であれば溶接は過応力である — 1.0 未満に下がるまで脚長を増やすか、溶接長さを追加するか、より高強度の溶接棒を指定する
• 許容荷重（耐力）は、この溶接が ASD の下で負担できる最大せん断である。設計基準に応じて、係数化荷重または常時荷重と比較する
• 所要最小脚長は、作用荷重を負担する最小の等脚すみ肉である。すみ肉脚長は整数または 0.5 mm 単位で指定されるため、標準溶接サイズに切り上げて再確認する
• 有効のど厚と面積は強度が導かれる形状である。おかしく見える場合は、脚長と、全溶接箇所にわたる合計長さを入力したかどうかを再確認する

関連規格・参考文献

• AWS D1.1/D1.1M — 構造溶接規格 — 鋼（すみ肉溶接強度と有効のど厚）
• AISC 360 — 構造用鋼建築物の仕様、第 J2 章（溶接設計、ASD および LRFD）
• AISC Steel Construction Manual — 第 8 部、溶接強度表と計算例
• AWS A5.1 / A5.5 — 溶接棒 FEXX 区分（E60〜E110）を定義する溶加材仕様

よくある質問

なぜのど厚は脚長の 0.707 倍なのか？

等脚すみ肉溶接は、90° で交わる 2 つの等しい脚を持つ三角形断面をしています。有効のど厚はルート隅から斜辺（溶接表面）までの垂直距離であり、45° 直角三角形では 脚長 × sin(45°) = 脚長 × 0.707 に等しくなります。荷重はこのど厚面を横切ってせん断すると仮定されるため、脚長ではなくのど厚が溶接部の強度を決定します。

0.30 × FEXX の許容値はどこから来るのか？

AISC 許容応力設計（ASD）では、溶接のど厚の許容せん断応力を溶接棒の最小引張強さ FEXX の 0.30 倍に設定します。これは公称溶接強度（0.60 × FEXX）に約 2.0 の安全率を組み合わせたものです。E70 では 0.30 × 70 = 21 ksi（≈145 MPa）となり、標準的な AISC の計算例と一致します。

これは荷重の作用方向を考慮しているか？

いいえ — v1 はすべての方向に対して保守的な長手方向値 0.30 × FEXX を使用します。AISC は軸に対して横方向に荷重を受ける溶接に対して最大 1.5 倍の増加を認めています（0.30 × FEXX × (1.0 + 0.5·sin^1.5 θ)）。これを無視することは安全側です（計算値より大きい耐力が得られます）。そのため、ほとんどの基本的な計算ツールはこれを省略します。結果は保守的な下限値として扱ってください。

母材も確認されるのか？

いいえ。この計算ツールは溶着金属のみを確認します。完全な設計では、溶接に沿って連結された母材がせん断や引張で破壊しないこと、および溶接が母材の板厚制限を超えないことも検証しなければなりません。これは溶着金属の確認として使用し、母材は別途検証してください。