JP2005264662A - 金属製ポール - Google Patents

Abstract

【課題】 金属製ポールにおける配電ボックスのコーナー部の応力集中や溶接による残留応力の影響を低減することとは別に、配電ボックス部に発生する応力自体を低減させること。
【解決手段】 側壁部２に配線用の開口部３を有する金属製ポール６において、開口部３を有する部位を含むポール長手方向に所定の範囲にわたって拡径加工した拡径管部７とし、その拡径管部７における前記開口部３の周囲に箱状の配電ボックス４を固着したことを特徴とする金属製ポール。また、箱状の配電ボックス４のポール本体１と溶接するコーナー部１５がポール長手方向に対して曲線状としたり、箱状の配電ボックス４の上側断面形状が逆Ｕ字状に、下側断面形状がＵ字状にそれぞれ形成されている。拡径管部７にいたるテーパー状の遷移部１６のポール長手方向の長さ寸法を、拡径前の直径と拡径部の直径の寸法差の５倍以上で２０倍以下の長さ寸法にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属疲労破壊の発生を防止し長期間にわたって安全に使用することができる金属製ポールに関するものである。

従来から、自動車用高速道路や駐車場などには照明柱や標識柱のような長尺の金属製ポールが多数立設されているが、時間の経過とともに腐食や金属疲労が進んで強度が低下し、強風に煽られて破壊する場合等がある。

そこで、定期的に金属製ポールの金属疲労度合いを点検し、破壊事故が生じないようにメンテナンスを行う必要がある。しかしながら、照明柱や標識柱の設置数は非常に多く、その全てを点検・メンテナンスすることは膨大な作業量となるため、強度低下が少なく長期間にわたって使用可能な金属製ポールの開発が進められている。

一方、照明柱や標識柱のようなポールには、配線や電気設備等の設置および点検を目的として箱状の配電ボックスが取り付けられているが、この配電ボックスは通常溶接により接合されているのが普通である。

図９（ａ）（ｂ）は、従来例を示すものであり、ポール本体１の側壁部２に各種配線等を行うため、あるいは点検を行うための孔部（開口部）３が形成されており、該孔部３を覆うように箱状の配電ボックス４が溶接接合された構造となっている。そして、ポール本体１内に配線されている多数のコード等がこの孔部３を利用して配電ボックス４内で各種の配電機器等に連結されている。なお、この配電ボックス４にはネジ止め等で開閉自在とされた蓋体（図示せず）が取り付けられているが、本件明細書の中では説明を省略する。

このような構造において、配電ボックス４の溶接部のうち、角型のコーナー部１５の鋭角な回し溶接部１５ａにおいて多くの金属疲労破壊が発生していることが知られている。これは、配電ボックス４のポール本体１との溶接部のうちコーナー部が鋭角状となっている角型のコーナー部１５のために、道路より伝わってくる振動や風雨等の外力が鋭角な回し溶接部１５ａに応力集中して過大な力となり、この部分に金属疲労破壊を発生させるためである。これ対し、このような配電ボックス４の鋭角な回し溶接部１５ａに発生する金属疲労破壊を防止し、長期間にわたって安全に使用することができる長尺の金属製ポールの開発が望まれていた。

前記従来の金属疲労破壊の課題を向上させる技術として、特開２００２−２５００１５号公報（特許文献１）では、配電ボックスのコーナー部を曲線状としたり、配電ボックスの上側と下側がそれぞれ逆Ｕ字状とＵ字状に形成する方法が開示されている。これによりコーナー部の応力集中を緩和し、疲労破壊に対する抵抗を向上させることが出来るとされている。また、特開２００２−２４７７１７号公報（特許文献２）および特開２００２−２８５７３５号公報（特許文献３）では、配電ボックスの鋼管ポールからの立ち上がり部を一体的に成形する方法が開示されている。これにより配電ボックスと鋼管とを直接溶接することがなくなり、溶接による残留応力の問題等がなくなるため疲労破壊に対する抵抗力を向上させることが出来るとされている。
特開２００２−２５００１５号公報 特開２００２−２４７７１７号公報 特開２００２−２８５７３５号公報

本発明は、配電ボックスのコーナー部の溶接部における疲労破壊の抵抗性の向上という課題をより有利に解決するため、上記のようなコーナー部の応力集中や溶接による残留応力の影響を低減することとは別に、配電ボックス部に発生する応力自体を低減させる方法を提供することで疲労破壊に対する抵抗性を向上させることを可能としたものであり、応力集中の緩和や溶接残留応力の低減を図る上記の改善された従来技術とも適宜組み合わせることで、その相乗効果により疲労破壊に対する抵抗性を、従来技術より大幅に向上させることを目的としたものである。

前記の課題を有利に解決するために、第１発明の金属製ポールにおいては、側壁部に配線用の開口部を有する金属製ポールにおいて、開口部を有する部位を含むポール長手方向に所定の範囲にわたって拡径加工した拡径管部とし、その拡径管部における前記開口部の周囲に箱状の配電ボックスを固着したことを特徴とする。
また、第２発明においては、第１発明の金属製ポールにおいて、箱状の配電ボックスのポールと溶接するコーナー部がポール長手方向に対して曲線状としたことを特徴とする。
また、第３発明では、第１発明または第２発明の金属製ポールにおいて、箱状の配電ボックスのポール本体と溶接する上側断面形状が逆Ｕ字状に、下側断面形状がＵ字状にそれぞれ形成されていることを特徴とする。
また、第４発明では、第１発明〜第３発明のいずれかの金属製ポールにおいて、拡径管部にいたるテーパー状の遷移部のポール長手方向の長さ寸法を、拡径前の直径と拡径部の直径の寸法差の５倍以上で２０倍以下の長さ寸法にしたことを特徴とする。

本発明の金属製ポールによると、単に、配電ボックス取付け部位を含む所定範囲を拡径管部とし、またはこれに改善された従来技術を組み合わせるだけで、配電ボックスのコーナー溶接部に発生する金属疲労破壊を極力防止し、長期間にわたって安全に使用することができるものである。よって本発明は従来の問題点を一掃した長尺の金属製ポールとして、産業の発展に寄与するところは極めて大である。

以下に、図面を参照しつつ本発明の好ましい実施の形態を示す。図１および図４は、本発明を自動車用高速道路の照明灯ポール６に適用した第１実施形態を示すものであって、鋼管製のポール本体１の側壁部２に配線取り出し用の長円形等の孔部３が形成され、配線や電気設備等の設置および点検をするための箱形状の配電ボックス４が取り付けられている。

そして本発明では、図１に示されるように、ポール本体１の配電ボックス４の取り付け部分を含む部位がポール本体１の長手方向にわたって拡径加工した点に特徴的構成を有するものであり、さらに具体的に説明すると、鋼管製のポール本体１における開口部３を有する部位を含むポール長手方向に所定の範囲にわたって拡径加工した拡径管部７とし、その拡径管部７における前記開口部３の周囲に箱状の配電ボックス４を溶接により固着し、このようにポール本体１の長手方向の一部を拡径管部７とすることにより、従来の拡径管部７のない鋼管製のポール本体１に比べて、拡径管部７に発生する応力を大幅に減ずることができる。

横方向の外力が作用した場合、ポール本体１の管部に発生する応力を減ずる方法としては、管部の肉厚を増加させる方法も考えられるが、管部に発生する応力は、肉厚に反比例し、管径の自乗に反比例することから、管径を拡径することで効率よく応力を現ずることが出来る。応力を減ずることにより疲労破壊に対する抵抗性を大幅向上させることができる。

勿論、ポール本体１全体の径を大きくすることでも、同様に応力を減ずることができるが、ポール本体１全体の径を大きくすれば、ポール自体の重量が大幅に増え、風の受圧面積が増えるため、圧力などの外力が大きくなり、経済性を損ねることになる。また、ポール本体１を設置する基礎部分も大きくなるため、ポール本体１の設置面積を大きくする必要があり、空間の有効利用の観点からも経済性を大幅に損ねることになる。また、このような方法により、拡径管部７を形成した後、開口部３を形成すればよい。

前記ポール本体１の一部を拡径加工する方法としては、例えば、ポール本体１を鋼管とする場合には、鋼管を加熱し、高速で回転させながらＮＣ制御したロールで圧下、成形する温間スピニング加工法や、成形型内に被加工物である鋼管をセットした後、高圧ガスを鋼管内へ吹き込んで、変形加工する液圧成形法が利用できる。

図２および図４は本発明の第２実施形態である。この実施形態では、拡径管部７とする点は図１と同じで、配電ボックス４のコーナー部分を曲線状（図示の場合は円弧状）９の断面に形成することで、コーナー部分１５の曲線状溶接部１０での応力集中を緩和できるため、拡径加工による応力低減との相乗効果により、疲労破壊に対する抵抗性を大幅に向上させることができるようにした形態である。

また、図３および図４に示す第３実施形態のように、配電ボックス４の上側断面形状と下側断面形状が、それぞれ逆Ｕ字状１１とＵ字状１２の断面形状に形成することによりさらにこれらの逆Ｕ字状（またはＵ字状）溶接部１３の応力集中を緩和できるため、さらに疲労破壊に対する抵抗性を向上させることが出来る。

各実施形態において、拡径管部７の長さＬ１は、疲労破壊の発生点である配電ボックス４のコーナー部１５の溶接部の応力を減ずることが出来るように、配電ボックス４の長さより長いことが好ましい。

また拡径管部７と拡径されない非拡径管部１４との間のテーパー状の遷移部分１６の長さＬ２は、あまり短いとポール本体１の局部座屈の発生を助長するためポール本体１の耐力を減する恐れがある。

図５は、前記の遷移部分１６の勾配と鋼管としたポール本体１の局部座屈強度の関係を有限要素法による数値解析により検討したものである。図中、横軸は、遷移部分１６の勾配に比例する値をあらわし、縦軸は拡径鋼管部１７の圧縮強度を非拡径鋼管（拡径前の元の鋼管）の強度により無次元化したものを示す。図中黒丸のプロットが解析により得られた結果を示す。また、Ｌ２は遷移部分１６の長さ、Ｄ２は拡径した鋼管の直径、Ｄ１は元の鋼管の径である。

図５によれば、（Ｄ２−Ｄ１）／Ｌ２が０．２を超えると、拡径鋼管部の強度が低下することがわかる。そのため、強度低下をおこさないためには、遷移部分１６の長さＬ２は、拡径量、すなわち拡大径Ｄ２と拡径前の管径Ｄ１（この実施形態では、非拡径管部１４と同じ径）の差の５倍以上にすることが望ましい。

また、遷移部分１６の長さＬ２が長すぎると、全体が太径の場合やテーパー状の場合と同様になるため、経済的利点が失われるため、遷移部分１６の長さＬ２は、拡径量、すなわち拡大径（Ｄ２）と元の鋼管の径（Ｄ１）の差の２０倍以下にすることが望ましく、更に、経済性および配電ボックスの設置高さ等を考慮すると、10倍以下がより望ましい。

図７は、図６に示す矢印で示すような水平力Ｆを作用させた場合の典型的な疲労設計曲線の例を示すが、縦軸に応力範囲Δσを、横軸には応力繰り返し回数を示す。例えば、元の鋼管に発生する応力範囲が１００ＭＰａであるとすると、図７の疲労設計曲線より、疲労寿命、すなわち応力繰り返し回数は約百万回となる。そこで、鋼管を１．２倍の直径に拡径すると、応力は２乗に反比例するから、応力範囲は約７０ＭＰａとなる。そのときの疲労寿命は、図７から約３百万回となり、元の鋼管の３倍となる。また鋼管径を１．３倍に拡径すると、応力は約６０ＭＰａとなり、疲労設計曲線の水平部分を下回ることから、疲労破壊しない設計とすることも出来ることがわかる。

本発明の第１実施形態の金属製ポールの一部を示すものであって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は断面図である。 本発明の第２実施形態の金属製ポールの一部を示すものであって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は断面図である。 本発明の第３実施形態の金属製ポールの一部を示すものであって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は断面図である。 第１〜第３実施形態の金属製ポールの全体を示す概略側面図である。 遷移部分の勾配と鋼管ポール本体の局部座屈強度の関係を示す数値解析図である。 水平力を作用させる場合の説明図である。 応力繰り返し回数と疲労設計曲線との関係を示す説明図である。 従来の金属製ポールの全体を示す概略側面図である。 （ａ）は配電ボックス付近を示す斜視図、（ｂ）は断面図である。

符号の説明

１ ポール本体
２ 側壁部
３ 孔部（開口部）
４ 配電ボックス
６ 照明灯ポール
７ 拡径管部（または拡径鋼管部）
９ 曲線状（円弧状）
１０ 曲線状溶接部
１１ 逆Ｕ字状
１２ Ｕ字状
１３ 逆Ｕ字状（またはＵ字状）溶接部
１４ 非拡径管部
１５ コーナー部
１５ａ 鋭角な角回し溶接部
１６ 遷移部分

Claims (4)

1. 側壁部に配線用の開口部を有する金属製ポールにおいて、開口部を有する部位を含むポール長手方向に所定の範囲にわたって拡径加工した拡径管部とし、その拡径管部における前記開口部の周囲に箱状の配電ボックスを固着したことを特徴とする金属製ポール。
2. 箱状の配電ボックスのポールと溶接するコーナー部がポール長手方向に対して曲線状としたことを特徴とする請求項１に記載の金属製ポール。
3. 箱状の配電ボックスのポール本体と溶接する上側断面形状が逆Ｕ字状に、下側断面形状がＵ字状にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の金属製ポール。
4. 拡径管部にいたるテーパー状の遷移部のポール長手方向の長さ寸法を、拡径前の直径と拡径部の直径の寸法差の５倍以上で２０倍以下の長さ寸法にしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の金属製ポール。

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