JP2002097651A - 構造物基礎 - Google Patents

構造物基礎

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JP2002097651A JP2000290304A JP2000290304A JP2002097651A JP 2002097651 A JP2002097651 A JP 2002097651A JP 2000290304 A JP2000290304 A JP 2000290304A JP 2000290304 A JP2000290304 A JP 2000290304A JP 2002097651 A JP2002097651 A JP 2002097651A
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Yasunobu Shiraishi
康信 白石
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Kajima Corp
鹿島建設株式会社
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

(57)【要約】 【課題】 洋上風力発電機等の不整地対応型基礎であ
り、基礎設置前の海底面の事前作業を不要とし、海底面
等の不陸に関わらず短時間で基礎を精度良く設置し、経
年変化により基礎が傾いた場合でも上部構造の鉛直度を
簡単に修正し、海上作業等の日数を少なくできるように
する。 【解決手段】洋上風力発電機1の下部に設けられる基礎
11を、海底面上に設置される3つの重錘21と基礎梁
22からなる重錘部12と、この重錘部12の中央部と
主柱2の下部を接続する自在継手13と、各重錘21の
上面と主柱2の基部とを自在継手14を介して連結し、
長さ調整装置15を有する連結材16から構成し、陸上
部で組み立てた基礎11を起重機船で吊り上げ、海上運
搬し、所定の設置場所に沈設し、この状態から長さ調整
装置15を操作して連結材16の長さを調節し、主柱2
が鉛直になるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する技術分野】本発明は、風力発電機やその
他の構造物の設置基礎として使用される不整地対応型の
基礎に関するものである。

【0002】

【従来の技術】例えば風力発電機は海上や水上に設置す
る場合があり、このような風力発電機の設置基礎とし
て、従来、次のような基礎構造がある(図4参照)。

【0003】(a) 重力式(ケーソン式・直接基礎式) ケーソン式は、図4(a) に示すように、海底の基礎面上
にコンクリートケーソン50を設置し、このケーソン5
0内に風力発電機1の主柱2の下部を挿入すると共に中
詰め砂を充填し、ケーソン50の上部にコンクリート製
の上部工51を設けた構造。直接基礎式の場合は、海底
面上に重量増を目的としたコンクリート無垢の基礎を構
築する。

【0004】(b) ジャケット式(直杭式・斜杭式) 図4(b) に示すように、海底面上に鋼管杭60を結構す
るジャケット61を有する構造。ジャケット61の上部
に風力発電機1の主柱2の下部を接続する。なお、水面
上デッキを設ける場合は鋼製主体となる。

【0005】(c) ドルフィン式(直杭式・斜杭式) 図4(c) に示すように、鋼管杭70の頭部を頂版71で
結合する構造。頂版71に風力発電機1の主柱2の下部
を埋設する。なお、水面上デッキはRC製主体となる。

【0006】(d) 鋼板セル式 図4(d) に示すように、海底地盤内に鋼板セル80の下
部を打ち込み、この鋼板セル80内に風力発電機1の主
柱2の下部を挿入すると共に中詰め材を充填する構造。

【0007】(e) 埋め込み式(モノパイル型基礎) 図4(e) に示すように、風力発電機1の主柱2の下部に
底板90を取付け、この主柱下部を海底地盤内に埋め込
む構造。

【0008】(f) 浮体式(テンションレグ式基礎) 図4(f) に示すように、風力発電機1の主柱2の下部に
浮力体100を取付け、この浮力体100を索体102
により重錘101に係留する構造。

【0009】

【発明が解決しようとする課題】前述のような従来の基
礎形式の場合、次のような問題がある。

【0010】(1) ケーソン基礎の場合、ケーソンを設置
する海底面の地盤改良や海底面を平坦に均す作業が必要
であり、費用と工期がかかる。

【0011】(2) ケーソン基礎等の重力式基礎の場合、
潮流による洗掘や地盤沈下等の経年変化で基礎が傾いた
場合、鉛直度を修正するのが難しい。

【0012】(3) ケーソン基礎や鋼管杭基礎等は、海上
工事が主体であり、海上工事は海象・気象の影響を受け
るため、年間を通して工事可能日が少なく、このため工
期が長くなる。

【0013】本発明は、前述のような従来の問題点を解
消すべくなされたもので、基礎設置前の海底面を地盤改
良したり、平坦に均す等の事前作業が不要となり、か
つ、海底面等の不陸に関わらず短時間で風力発電機等の
上部構造を精度良く設置することができ、また、経年変
化により基礎が傾いた場合でも風力発電機等の上部構造
の鉛直度を簡単に修正することができ、さらに、海上作
業等の日数を少なくでき、海象・気象等の影響を受けに
くい不整地対応型の構造物基礎を提供することにある。

【0014】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項1は、海
底面や水底面に設置される風力発電機やその他の構造
物、あるいは陸上等に設置される構造物の不整地対応型
の基礎であり、基礎面上に設置される重錘部と、この重
錘部の中央部と上部構造(例えば風力発電機の主柱)の
下部を接続する自在継手と、重錘部の外周部と上部構造
とを両端の自在継手を介して連結する長さ調整可能な連
結材を備えていることを特徴とする構造物基礎である。

【0015】前記自在継手は、接続する部材の曲げのみ
を許し、軸力のみを伝達する部材であり、例えば互いに
直交する2箇所のピン連結構造の継手を用いる。前記連
結材は軸力を伝達できる剛体であり、その中間部に油圧
ジャッキ等の長さ調整装置を介在させ、上部構造の傾斜
を調整できる長さ調整機能と、風や地震等による水平方
向荷重を支えることのできる剛性を持たせる。この連結
材は、平面視で重錘部の周方向に間隔をおいて少なくと
も3本配設する。

【0016】本発明の請求項2は、請求項1の構造物基
礎において、重錘部は、平面視で周方向に間隔をおいて
配設された複数の重錘と、これら重錘同士を結構する基
礎梁から構成されていることを特徴とする構造物基礎で
ある。即ち、重錘部は一体の盤状のものでもよいが、複
数の重錘を平面視で主柱を中心とする円周上に等間隔を
おいて配設することで、海底面等の不陸に大きく影響を
受けないようにするのが好ましい。さらに、複数の重錘
は3つとし、海底面等の不陸の影響を受けず、かつ海底
面等に対して安定した構造の3点支持構造とするのが好
ましい。

【0017】以上のような構成の構造物基礎を予め組み
立てておき、これを設置場所に運搬し、設置面に重錘部
を接地させる。次いで、長さ調整装置により各連結材の
長さを伸縮調整することで主柱等を鉛直にする。なお、
風力発電機等が大型の場合には、基礎と上部構造を分離
して運搬し、鉛直度を調整した基礎に上部構造を組み付
ける。以上により、設置作業が終了する。

【0018】設置面に重錘部を接地させた後、各連結材
を長さ調整して上部構造の鉛直度を調整するため、基礎
設置前に海底面等を予め地盤改良したり、平坦に均す等
の事前作業が不要となり、また海底面等の不陸に関わら
ず短時間で風力発電機等の上部構造を精度良く設置する
ことができる。

【0019】潮流による洗掘や地盤沈下等の経年変化で
基礎が傾いた場合でも、連結材の長さ調整装置により連
結材の長さを再調整することができ、上部構造の鉛直度
を簡単に修正することができる。また、比較的軽量であ
るため、設置位置の変更も容易に行うことができる。

【0020】本基礎は、予め陸上部等で組み立ててお
き、重錘部と連結材からなる簡単で軽量のものを運搬
し、設置位置に設置した後は鉛直度の調整作業を行うだ
けでよいため、海上作業等の日数を少なくでき、海象・
気象等の影響を受けにくい。

【0021】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示する一実施形
態に基づいて説明する。この実施形態は、海上に設置さ
れる風力発電機に本発明を適用した例である。図1は、
本発明の不整地対応型基礎の1例を示す平面図と正面図
である。図2は、その部材接合部の詳細を示す正面図と
部材接合部の変形例を示す正面図である。

【0022】図1において、風力発電機(風車)1は、
高さが数10mの鋼管等からなる主柱2と、この主柱2の
上部に設けられた発電機本体3と、この発電機本体3の
回転軸に取付けられた直径が数10mのプロペラ4等から
なり、このような風力発電機1の主柱2の基部2aに本
発明の不整地対応型基礎11を設ける。

【0023】不整地対応型基礎11は、海底面5上に設
置される重錘部12と、この重錘部12の中央部と主柱
基部2aの下部とを接続する自在継手13と、両端部に
自在継手14を有し中間部に長さ調整装置15を有し、
重錘部12の外周部と主柱基部2aとを連結する複数の
連結材(斜材)16とから構成されている。

【0024】重錘部12は、例えばコンクリート製であ
り、平面視で主柱2を中心とする円周上に等間隔をおい
て配置された3つの重錘(シンカ)21と、これら重錘
21,21同士を結構する基礎梁22からなり、3つの
重錘21で海底面5に対して3点支持構造とすることに
より、海底面5の不陸に大きく影響されず、かつ安定し
た支持が得られるようにしている。

【0025】また、重錘21の下面には、四角錐状等の
突起23を多数設け、水平荷重に対する滑動抵抗を増加
させ、水平方向に安定した支持力が得られるようにして
いる。基礎梁22は、例えば、3本の梁が平面視で主柱
2から3つの重錘21に向かって放射状に延在する形状
とする。

【0026】自在継手13は、あらゆる方向の曲げのみ
を許容しつつ軸力のみを伝達する継手であり、例えば図
2(a) に示すように、互いに直交する2箇所のピンによ
るダブルクレビス(U字金具)タイプの継手を用いる。
即ち、基礎梁22の平面視の中心部(主柱2の位置)に
第1クレビス31を立設し、このクレビス31に第1ピ
ン32を介して継手部材33の直交板材の下部側を回転
自在に接続する。一方、主柱基部2aの下端部には、第
2クレビス34を形成しておき、この第2クレビス34
と継手部材33の直交板材の上部側を、第1ピン32と
直交する第2ピン35を介して回転自在に接続する。

【0027】この自在継手13は、前述のクレビスタイ
プに限らず、図2(b) に示すようなユニバーサルジョイ
ントと球面台座によるタイプでもよい。ユニバーサルジ
ョイントは、十字形金具41とU字状の継手台座42か
らなり、主柱基部2aの下端部に十字形金具41を一方
の軸で回転自在に取付け、U字状継手台座42に十字形
金具41を他方の軸で回転自在に支持させる。球面台座
は、主柱2の下面に形成した球面43と、U字状継手台
座42の底板に形成した球面座44からなり、大きな軸
力にも耐えられるように設けられるものである。

【0028】連結材16は、鋼製等の鋼管材であり、図
1に示すように、平面視で基礎梁22に対応させて放射
状に3本配設されている。連結材16の下端部は、重錘
21の上面に自在継手14を介して接続され、連結材1
6の上端部は、主柱基部2aの上部における側面に自在
継手14を介して接続される。自在継手14は、前述し
た自在継手13と同じものを使用することができる。長
さ調整装置15は、油圧ジャッキやメカニカルジャツキ
等を用いる。長さ調整が終了すると、ターンバックル・
止めピン等を用いて連結材16の長さを固定し、その
後、油圧ジャッキ等は撤去する。

【0029】以上のような構成の不整地対応型基礎に用
いて風力発電機を例えば次のような手順で設置する(図
3参照)。なお、これは大型の風力発電機の場合であ
る。

【0030】(1) 本基礎11を海岸寄りの陸上部で組み
立てる。即ち、主柱基部2aに自在継手13を介して重
錘21と基礎梁22からなる重錘部12を接続し、主柱
基部2aと各重錘21を連結材16で連結する(図3
)。重錘21, 基礎梁22等が鋼殻からなる場合は、
内部にコンクリートを打設して本基礎11を完成させる
(図3)。

【0031】(2) 完成した本基礎11を起重機船で吊り
上げ、海上運搬し(図3) 、所定の設置場所に沈設す
る(図3) 。

【0032】(3) 本基礎11は3つの重錘21により海
底面に対し安定して3点支持されており、この状態か
ら、台船上の油圧制御装置により長さ調整装置15の油
圧ジャッキを操作して連結材16の長さを調節し、主柱
基部2aが鉛直になるようにする(図3) 。その後、
ターンバックルと止めピンを用いて連結材16の長さを
固定し、油圧ジャッキを撤去する。

【0033】(4) 起重機船で別途運搬してきた上部構造
の風力発電機1の主柱2の下部を主柱基部2aの上部に
固定する(図3) 。以上で設置作業が終了し、海底面
の不陸に関わらず風力発電機1を短時間で鉛直に設置す
ることができる。

【0034】以上の例は大型の風力発電機の場合であ
り、大型の風力発電機の場合は、基礎重量が重くなり、
高さが高くなるため、クレーンの吊り荷重・吊り高さの
関係で基礎と風力発電機を分離して海上組立する必要が
あるが、これに限らず、基礎と風力発電機を一体化した
ものを運搬し、所定の設置位置に設置することも可能で
ある。

【0035】なお、基礎設置面が経年変化等で地盤沈下
を起こしても、ターンバックルや油圧ジャッキ等の長さ
調整装置15により鉛直度調整を容易に行うことができ
る。また、本基礎11は、ケーソン基礎等に比べて比較
的軽量であるため、必要であれば、大型クレーン船で海
中に吊り上げ、設置位置の変更も可能である。ケーソン
基礎等の鉄筋コンクリート製重力式基礎の場合、一般に
函体を製作し、現地沈設後に重量付加のため、砂や砕石
コンクリートを中詰めする工法を採るため、函体を吊り
上げるために必要な強度を有する吊り点がなく、基礎設
置後の設置位置の変更は困難である。

【0036】次に、本発明のより具体的な例について説
明する。 (a) 重錘21の重量 重錘21の重量は、台風等の暴風時に働く水平方向風荷
重で基礎が転倒しない水中重量が必要であり、図1の実
施形態の場合、次の(1)式を満足するように決定す
る。 W>(FX ・(h1 +h2)−Fz ・r/2)/(r+r/2)…(1) W:重錘の重量[N] FX :水平方向風荷重[N] Fz :風力発電機の鉛直荷重[N] h1 :海底面から主柱基部上端までの高さ[m] h2 :主柱基部上端から風力発電機の風荷重作用点まで
の高さ[m] r:重錘の設置位置の半径[m]

【0037】(b) 長さ調整装置15の容量(ジャッキ容
量) 油圧ジャツキ等からなる長さ調整装置15のジャッキ容
量は、暴風時の水平方向風荷重を支える剛性が必要であ
り、図1の実施形態の場合、次の(2)式を満足するよ
うに決定する。 F>FX ・(h1 +h2)/h1 /cos θ…(2) F:長さ調整装置の押し引き力[N] FX :水平方向風荷重[N] h1 :海底面から主柱基部上端までの高さ[m] h2 :主柱基部上端から風力発電機の風荷重作用点まで
の高さ[m] θ:長さ調整装置の傾斜角[°]

【0038】(c) 長さ調整装置15のストローク(ジャ
ッキストローク) 長さ調整装置15のジャッキストロークは、海底地盤の
許容勾配を±φ(±1/10≒6°)とすると、次の
(3)式と(4)式を満足するように決定する。 S1 >(r2 +h1 2−2・r・h1 ・cos(90+φ))0.5 −(r2 +h1 20.5 …(3) S2 >(r2 +h1 2−2・r・h1 ・cos(90−φ))0.5 −(r2 +h1 20.5 …(4) S1 :長さ調整装置の伸び量[m] S2 :長さ調整装置の縮み量[m] r:重錘の設置位置の半径[m] h1 :海底面から主柱基部上端までの高さ[m] 以上の式から、図1のHが60m程度の風力発電機1にお
いて、重錘21の水中重量は、900kN(90tf) 以上必要
であり、安全をみて1800 kN(180tf)程度となる。長さ
調整装置15のジャッキ容量は、4000 kN(400tf)以上
必要であり、安全をみて5000 kN(500tf)程度となる。
長さ調整装置15の長さ調節範囲は、±1.3 m程度とな
る。

【0039】なお、以上は海上設置型の風力発電機につ
いて説明したが、これに限らず、その他の型式の風力発
電機にも本発明を適用できることは言うまでもない。ま
た、海底面や水底面に設置される風力発電機に限らず、
陸上等に設置される風力発電機、あるいはタワー構造物
や機械基礎など海上や陸上等に設置されるその他の構造
物にも本発明を適用することができる。

【0040】

【発明の効果】本発明は、以上のような構成からなるの
で、次のような効果を奏することができる。

【0041】(1) 設置面に重錘部を接地させた後、各連
結材を長さ調整して上部構造の鉛直度を調整するため、
基礎設置前に海底面等を予め地盤改良したり、平坦に均
す等の事前作業が不要となり、また海底面等の不陸に関
わらず短時間で風力発電機等の上部構造を精度良く設置
することができ、工期およびコストを大幅に低減するこ
とができる。

【0042】(2) 潮流による洗掘や地盤沈下等の経年変
化で基礎が傾いた場合でも、連結材の長さ調整装置によ
り連結材の長さを再調整することができ、上部構造の鉛
直度を簡単に修正することができる。また、比較的軽量
であるため、設置位置の変更も容易に行うことができ
る。

【0043】(3) 本基礎は、予め陸上部等で組み立てて
おき、重錘部と連結材からなる簡単で軽量のものを運搬
し、設置位置に設置した後は鉛直度の調整作業を行うだ
けでよいため、海上作業等の日数を少なくでき、海象・
気象等の影響を受けにくく、工期の大幅な短縮が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の不整地対応型基礎の1例であり、(a)
は平面図、(b) は正面図である。

【図2】図1の不整地対応型基礎の部材接合部の詳細を
示す正面図であり、(a) はダブルクレビスタイプ、(b)
はユニバーサルジョイントタイプである。

【図3】本発明の不整地対応型基礎の設置方法の1例を
工程順に示す正面図である。

【図4】洋上風力発電機の従来における各種の基礎形式
を示す正面図である。

【符号の説明】 1…風力発電機 2…主柱 2a…基部 3…発電機本体 4…プロペラ 5…海底面 11…不整地対応型基礎 12…重錘部 13…自在継手 14…自在継手 15…長さ調整装置 16…連結材(斜材) 21…重錘(シンカ) 22…基礎梁 23…突起 31…第1クレビス 32…第1ピン 33…継手部材 34…第2クレビス 35…第2ピン 41…十字形金具 42…U字状の継手台座 43…球面 44…球面座

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基礎面上に設置される重錘部と、この重
    錘部の中央部と上部構造の下部を接続する自在継手と、
    重錘部の外周部と上部構造とを両端の自在継手を介して
    連結する長さ調整可能な連結材を備えていることを特徴
    とする構造物基礎。
  2. 【請求項2】 重錘部は、平面視で周方向に間隔をおい
    て配設された複数の重錘と、これら重錘同士を結構する
    基礎梁から構成されていることを特徴とする請求項1に
    記載の構造物基礎。
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