近年、構造物には欠陥の存在が不可避であるとの前提に立ち、構造物がその機能を全うできるように設計・施工・保守・管理という全てのプロセスを通して安全性の手立てを講じて行くべきであるという考え方が普及しつつある。例えば、構造物に発見された欠陥が、破壊力学的に見て安全性に悪影響を及ぼさないと判断されるならば、その欠陥は許容してもよいということである。日本溶接協会規格WES2805は、この考え方を比較的早い時期に具体化したものであって、非破壊検査等で発見された欠陥からの脆性破壊に対する許容判定の方法を与えている。この規格では、CTOD概念がベースとなっており、欠陥が存在するであろう部位の、欠陥がない場合の局所ひずみを用いてCTODを評価し、これと破壊靭性値を比較することによって許容判定を行うことになっている。この規格は、制定後十数年が経ち、長年にわたる運用経験から種々の問題点が指摘されており、また一方で近年の破壊力学研究の発展にもあわせるべく、大規模な改訂が行われようとしている。本論分は、このような背景から、実用上最も重要と思われる構造的応力集中部にある欠陥に着目し、局所ひずみの定義の在り方、ひずみ集中係数の簡便な推定法、CTOD評価曲線の妥当性などについて、主として弾塑性数値解析結果から検討を加えたものである。さらに、WES2805と同様に溶接鋼構物の欠陥評価手法を与える基準として有名な英国規格PD6493についても考察を加えている。PD6493は、WESアプローチと異なり、英国CEGBのR6法を取り入れた、いわゆる"破壊評価線図(FAD)"の考え方に基づいている。欠陥の評価という一つの目的に対し、少なくとも見かけ上は全く異なる2つのアプローチの整合性について検討を加えることは今後の欠陥評価手法の在り方を討論する上でも非常に重要である。

　さて、本論文は8章より成っている。

　第1章は、序論であり研究の背景と目的を示す。WES 2805及びPD6493(ないしR6アプローチ)の考え方の基本を解説し、同時にこれらの問題点を整理して、その解決にあたっての本論文の研究を概観している。

　第2章では、より詳細にWES2805、R6両アプローチの内容について述べ、研究を行う上で必要な破壊力学の考え方の概説及び数値解析法としての有限要素法(FEM)の適用の方法などについて説明している。

　第3章では、本論文で用いた計算手法の妥当性を検討するために行った予備的計算結果が述べられている。例えば、種々の形状の表面き裂を有する平板の弾性解析結果が、現在最も精度が良いとされているRaju-Newmanの解と比較され、その妥当性が検証された。また弾塑性解析の適用法についても検討がなされている。

　第4章では、まず片側スチフナを有する広幅平板のスチフナ端部に表面き裂があるモデルを取り上げ、3次元弾塑性FEM解析を行った結果がまとめられている。このモデルは、次章で取り上げる両側スチフナ付広幅平板モデルと同様、日本溶接協会FTR委員会で実際に破壊実験が行われたものである。材料はJIS/SM41Bであり、実際の引張試験結果による応カーひずみ曲線がインプットされた。計算にはMARCコードが使用され、特にき裂先端は20ノードブリック要素が用いられている。これによりき裂先端には1/rのひずみ特異性が生じると共に、き裂先端の鈍化を考慮することができ、90°インターセプト法によってCTODを直接算定できる。また、計算では弾塑性J積分値も同時に算定され、この結果からR6アプローチにおける破壊評価線図が直接検討されている。それによるとPD6493で採用されているレベル2及びそのFADは、一般にFEM解析結果とは一致せず、荷重パラメータLrの定義を種々変えても同様であった。このことは、構造的応力集中部に欠陥のあるような問題に対しては、R6アプローチを単純に適用することは、破壊強度評価の目的に対し、大きな危険性をはらんでいることを意味し、英国PD6493規格の問題点を浮き彫りにしたといえる。一方WES2805の手順の検討結果では、まず局所ひずみの定義を、表面き裂長さにわたって平均化された表面ひずみとすることによって、現行のCTOD評価曲線によるCTOD値がFEM解析結果と良好な対応を示すことが判明した。さらに、ひずみ集中係数の推定式として現行の萩原の式を用いると、特にひずみの大きい領域でが過小評価されることを見出した。すなわち現行のWES2805手順をそのまま適用することは、本モデル形状の問題に対しては破壊強度を非安全側に評価してしまうことになるのである。

　第5章では、両側スチフナ付広幅平板のスチフナ間の中央に表面き裂のあるモデルを取り上げ詳細な検討を行っている。材料はSM41Bのほか、高張力鋼HT80も用いられた試験体である。また表面き裂の形状も、第4章のモデルで用いられた長さ50mm深さ10mmのものの他、長さ20mm深さ10mmの半円形のものも対象とした。まず、R6アプローチのFADの検証では、第4章と同じく単純な適用には無理があることを再確認した結果となった。次に、WES2805の検討では、まず実験で得られている負荷応力とCTOD他の関係がチェックされ、ここでのFEM解析結果が良好な一致を見せたことから、第3章の予備的検討結果に加え、さらに本計算手法の妥当性を示せたといえる。そして、局所ひずみの定義、ひずみ集中係数の評価式に対しても第4章と同様な結果を得、WES2805をこのような構造的応力集中部のあるような構造に適用する際の問題点を再度明確にしたのである。

　第6章では、第4、5章の計算結果をもとに、R6アプローチの適用についての考察を加えている。先に述べたように本論文で取り上げたモデルに対しR6アプローチを単純に適用することはできない。この理由について種々の考察を行い、第一の問題は荷重パラメータLrの定義にあることと結論した。そして、新しく有動幅Weffの概念を導入することを試みた。この考え方は、本モデルのように応力集中の大きい場合には、荷重を受けもつ領域は事実上応力集中部近傍に限られてしまうであろうことから、例えばスチフナ幅の数倍の領域をWeffと定義し、これから崩壊荷重を再定義すべきではないかとの議論による。この考え方と、Chellらによる全面降伏(Global Yield)荷重アプローチを組み合わせることによって、RP6493レベル2ないし3のカーブはFEM計算結果とほぼ一致させることが可能となった。すなわち、従来から適用が疑問視されていた、R6アプローチによる応力集中モデルの取り扱いにおいて正しくLrを定義しさえすれば、実用上R6アプローチによる強度評価も可能であることが明らかとなったのである。

　第7章では、本論文の最も重要な考察結果、すなわちWES2805手法における種々の問題点を改善するための新しい提案について述べている。第4、5章において、局所ひずみの在り方については表面ひずみを表面き裂長さにわたって平均すればよいとの結論を得ている。問題はこの局所ひずみをいかに簡便に評価すべきかということであり、これが不可能であれば実用上の有効性に大きな疑問が残る。本論文では局所ひずみは、公称ひずみにひずみ集中係数を乗じることで得られるとの前提に立ち、ひずみ集中係数の評価式について詳細な検討を行った。そして、"正味断面応力効果"と名付けた新しい考え方を導入し、あらゆる負荷応力域において常にを安全側に評価することのできる評価式を導いた。この考え方は、第6章におけるWeffの考え方のさらなる一般化と位置づけることができる。この新しい提案式の妥当性を検証するために、日本溶接協会FTR委員会で実施された破壊試験結果の検討を行った。それによると、従来の評価式を用いた場合には、推定破壊応力は場合によっては過大評価となることがあり、非完全側の評価を与えることがあるのに対し、本論文での提案式によればあらゆる実験データに対し、良好ないし安全側の評価を与えることが確認された。すなわち、本論文における"正味断面応力効果"の考え方は、WES2805の手順において、安全側の評価を行うという観点から、破壊強度推定法を改良することができることを示している。

　第8章はまとめであり、本論文に述べた研究成果をとりまとめたものである。

　以上のように本論文は、実用的に極めて重要な問題である応力集中部にき裂が存在する場合の破壊強度評価の在り方に対し、数種の計算モデルの3次元弾塑性FEM解析による詳細な検討を行うことによって、現在強度評価法として広く用いられているPD6493およびWES2805基準の問題点を洗い出すと共に、その改善策を新たに提案したものであって、溶接鋼構造物の安全性評価を合理的に行う上で不可欠の成果を与えるものと言える。特に、我国で制定されたWES2805における破壊バラメータ:CTODの実用的評価手法を確立したことは、工業的な観点からも誠に貴重なデータを提供しており、今後、実際に規格の改良案に取り入れられる可能性をもっている。よって本論文は、博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。