JP2007077795A

JP2007077795A - 塔状構造物

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Publication number: JP2007077795A
Application number: JP2006221407A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Takahashi; 司高橋; Yasuto Kobayashi; 康人小林; Hiroyoshi Watanabe; 浩良渡辺; Michihiro Sakurada; 道博桜田
Original assignee: PS Mitsubishi Construction Co Ltd
Current assignee: PS Mitsubishi Construction Co Ltd
Priority date: 2006-08-15
Filing date: 2006-08-15
Publication date: 2007-03-29

Abstract

【課題】プレストレストコンクリート構造の長柱状の塔状構造物に関し、耐食性が高く、圧縮強度を高めて適正寸法を確保することができるプレストレストコンクリート構造の塔状構造物を提供する。
【解決手段】プレストレストコンクリート構造の長柱状の塔状構造物１０において、塔状構造物１０の構造物本体１７の材料として、圧縮強度１００Ｎ／ｍｍ^２以上の超高強度モルタルを使用する。また、この塔状構造物１０は、複数のプレキャストセグメント部材１１〜１６を長手方向に連結してなるものとすれば好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、プレストレストコンクリート構造の長柱状の塔状構造物に関する。

従来より、長柱状の塔状構造物として鋼製の塔状構造物が多く構築されている。ところが、鋼製の塔状構造物は、腐食性雰囲気など使用条件に対して十分な耐食性・耐候性を期待できない場合がある。また、耐食性を向上させるための防食塗装が施された鋼製の塔状構造物も普及しているものの、例えば海岸地区等塩害のある環境下に設置すると腐食する恐れがあるため、定期的に塗装を塗り替える必要がある。塗装の塗り替えに当たっては、足場の設置、素地調整、塗付け作業等が必要となるため、多大なメンテナンス費用が発生することとなり、ライフサイクルコストが大きくなる。

この点に鑑み、塔状構造物をプレストレストコンクリート構造とし、耐食性の問題を解決する高強度構造が研究されている。例えば、複数個のコンクリート製筒型セグメントを上下に積み重ねて接続し、これら複数個のセグメントにポストテンション方式によるプレストレスを導入する塔状構造物が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、筒状に形成された複数のコンクリート製プレキャストセグメントを鉛直方向に積み重ねることによりコンクリートタワー本体を構成し、これらプレキャストセグメント相互間にプレストレスを導入するための複数のＰＣ鋼材を、タワー本体の内部空間に外ケーブル構造を構成するようにして配置する塔状構造物も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特許文献１や特許文献２に提案されたような、プレストレストコンクリート構造の塔状構造物によれば、鋼製の塔状構造物に比して耐食性が高いことから、防食塗装を施す必要がなく、メンテナンスが容易化され、ライフサイクルコストが低減される。
特開２０００−２８３０１９号公報特開２００５−１８００８２号公報

ところが、塔状構造物には高い圧縮応力度が発生するため、鋼製の塔状構造物と同程度の規模の塔状構造物を、圧縮強度４０〜５０Ｎ／ｍｍ^２程度の普通コンクリートを用いて構築すると、この塔状構造物の断面寸法が大きくなり、自重も増加することとなる。コンクリート部材の自重が増加すると、地震時に、塔状構造物の基部での曲げモーメントが大きくなり、断面の増大、鋼材量の増大を招来し、高さが３０ｍを超えると設計が困難となる。

本発明は、上記事情に鑑み、耐食性が高く、圧縮強度を高めて適正寸法を確保することができるプレストレストコンクリート構造の塔状構造物を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成する本発明の塔状構造物は、プレストレストコンクリート構造の長柱状の塔状構造物において、構造物本体が圧縮強度１００Ｎ／ｍｍ^２以上の超高強度モルタルからなることを特徴とする。

ここで、本発明の超高強度モルタルとは、セメント、ポゾラン質微粉末、粒径５ｍｍ以下の細骨材、短繊維補強材、減水剤を含むものである。このような超高強度モルタルは、圧縮強度が１００Ｎ／ｍｍ^２〜１８０Ｎ／ｍｍ^２であり、圧縮強度４０Ｎ／ｍｍ^２〜５０Ｎ／ｍｍ^２程度の従来の普通コンクリートに比して圧縮強度が著しく高い。好ましくは圧縮強度１５０Ｎ／ｍｍ^２以上とする。

本発明の塔状構造物は、プレストレストコンクリート構造であることから、鋼製の塔状構造物に比して耐食性が高く、防食塗装を施す必要がないため、メンテナンスが容易化され、ライフサイクルコストが低減される。また、本発明の塔状構造物は、構造物本体が圧縮強度１００Ｎ／ｍｍ^２以上の超高強度モルタルからなることから、この塔状構造物に作用する高い圧縮応力度に超高強度モルタル自体が抵抗することとなり、従来の鋼製の塔状構造物と同等の外形寸法で設計、構築することができる。

上記本発明の塔状構造物は、複数のプレキャストセグメント部材を長手方向に連結して構成すると、プレキャストセグメント部材を用いることによって、高品質の製品を得ることができ、現場作業が容易となるので好適である。

また、ＰＣ鋼材を上記構造物本体の内部空間に配設することによって、内部空間を有効に利用することができる。また、構造物本体内へのシースの配設が不要であり、プレストレス導入作業が容易となり、構造物本体内にＰＣ鋼材を配設する場合に比して施工性が著しく向上する。

また、上記本発明の塔状構造物において、上記超高強度モルタルは、短繊維補強材として鋼繊維又は有機繊維を用いると、超高強度モルタルの強度やじん性を容易に向上させることができるので好ましい。

本発明によれば、プレストレストコンクリート構造の長柱状の塔状構造物の構造物本体の材料として、圧縮強度１００Ｎ／ｍｍ^２以上の超高強度モルタルを使用しているため、超高強度モルタル自体が圧縮力に抵抗し、緊張材として使用するＰＣ鋼材が引張力に抵抗することとなり、従来の普通コンクリートを使用した塔状構造物に比して構造物本体の断面寸法を小さくすることができ、軽量化することができる。すなわち、本発明の塔状構造物は、従来の鋼製の塔状構造物と同等の外形寸法で設計することができ、また施工に当たって格別な装置や手段を要することなくできる。

また、超高強度モルタルは普通コンクリートに比して圧縮強度が高く、水セメント比が低く、密実なので、中性化速度や塩分浸透度が大きく低下し、耐久性が向上するといったメリットもある。

ここで、普通コンクリートにプレストレスを導入するに当たっては、緊張したＰＣ鋼材の端部を、くさび及びくさび受け、ねじ、ナット並びにＰＣ支圧板（定着板）の組み合わせからなる定着具を用いて構造物の端面等に定着する。ところが、超高強度モルタルは圧縮強度が高いため鋼製の支圧板を不要とすることができると考えられる。鋼製の支圧板が不要となった場合には、かぶりの制約がなくなり、部材を更に薄くすることができる。

また、複数のプレキャストセグメント部材を長手方向に連結して施工することとすれば、高品質の製品を得ることができ、鋼構造物と同等の建設工程ですみ、現場作業が容易となる。

さらに、ＰＣ鋼材を中空の内部空間に配設することによって、内部空間を有効に利用することができる。また、構造物本体内へのシースの配設が不要であり、プレストレス導入作業が容易となり、構造物本体内にＰＣ鋼材を配設する場合に比して施工性が著しく向上する。

本発明に係る塔状構造物では、超高強度モルタルに鋼繊維又は有機繊維等の補強繊維を添加することによって超高強度モルタルの強度やじん性を容易に向上させることができ、その結果、鉄筋の配筋を少なくすることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態が適用された内ケーブルを用いた塔状構造物１０の設計例を示すもので、この塔状構造物１０の縦断面を示す側面図である。

図１に示す塔状構造物１０は、プレストレストコンクリート構造の長柱状の塔状構造物であって、構造物本体１７の基底部は基礎２０に固定され、構造物本体１７の頂部に通信用アンテナ（図示せず）を備えている。この構造物本体１７は、鋼繊維又は有機繊維を含有する超高強度繊維補強モルタルからなるものである。この超高強度繊維補強モルタルは、セメント、ポゾラン質微粉末、粒径５ｍｍ以下の細骨材、短繊維補強材、減水剤を含むものであって、圧縮強度が１００Ｎ／ｍｍ^２〜１８０Ｎ／ｍｍ^２である。

このように、塔状構造物１０の構造物本体１７の材料として、圧縮強度１００Ｎ／ｍｍ^２以上の超高強度モルタルを使用しているため、超高強度モルタル自体が圧縮力に抵抗し、従来の普通コンクリートを使用した塔状構造物に比して構造物本体の断面寸法を１／２程度とすることもでき、軽量化することができる。すなわち、本実施形態の塔状構造物１０は、従来の鋼製の塔状構造物と同等の外形寸法で設計することができる。また、施工に当たって、従来のプレストレストコンクリート構造の長柱状の塔状構造物の施工手順と同様の施工手順で施工することができる。

また、超高強度モルタルは普通コンクリートに比して圧縮強度が高く、水セメント比が低く、密実なので、中性化速度や塩分浸透度が大きく低下し、耐久性が著しく向上する。

さらに、超高強度モルタルに鋼繊維又は有機繊維等の補強繊維を添加することによって超高強度モルタルの強度やじん性を容易に向上させることができ、その結果、鉄筋の配筋を少なくすることが可能となる。

図１に示すように、この塔状構造物１０は、６個のプレキャストセグメント部材１１，１２，１３，１４，１５，１６を長手方向に連結してなるものである。

プレキャストセグメント部材１１〜１６を用いることによって、高品質の製品を得ることができると共に、現場作業が容易となる。従って、従来の鋼製の塔状構造物と同等の現場工期で塔状構造物１０を施工することができる。

図２〜図１１は、図１に示す塔状構造物１０の内部構造を示す説明図で、それぞれ、図１に示す塔状構造物１０のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄ、Ｅ−Ｅ、Ｆ−Ｆ、Ｇ−Ｇ、Ｈ−Ｈ、Ｉ−Ｉ、及びＪ−Ｊ矢視図である。

図２〜図１１に示すように、この塔状構造物１０を構成する６個のプレキャストセグメント部材１１〜１６はそれぞれ筒状である。また、６個のプレキャストセグメント部材１１〜１６内には、それぞれ、上下方向にシース（図示せず）が埋設されており、埋設シース内にＰＣ鋼材３０を挿通して、ポストテンション方式でそのＰＣ鋼材３０の両端を、各プレキャストセグメント部材１１〜１６の各接合面に設けられたＰＣ鋼材定着部１１ａに定着してプレストレスを導入する。

超高強度モルタルは圧縮強度が高いため鋼製の支圧板を省略することもできる。従って、コンクリートかぶり寸法が不要であり、かぶり寸法に制約されることなくＰＣ鋼材３０の定着部を設計することができる。

以下、第１の設計例を示す。塔状構造物１０に作用する風荷重時及び地震時における断面力の検討結果を示す。尚、ここでは、構造物本体１７に、圧縮強度が１５０Ｎ／ｍｍ^２（設計基準強度１２０Ｎ／ｍｍ^２）の超高強度繊維補強モルタルを使用し、鋼製のものと同程度のサイズの塔状構造物１０の設計を行った。

１．設計条件
１）柱高
Ｈ＝３０．０００ｍ
２）柱径
頂部：Ｄ１＝０．５００ｍ
基部：Ｄ２＝１．０００ｍ
３）構造形式
プレストレストコンクリート構造（超高強度モルタル使用）
４）使用材料
超高強度繊維補強モルタルは、圧縮強度１５０Ｎ／ｍｍ^２、曲げ強度２０Ｎ／ｍｍ^２、引張強度８Ｎ／ｍｍ^２の超高強度繊維補強モルタルとする。尚、超高強度繊維補強モルタルの設計用値は表１の通りとし、ＰＣ鋼材３０の設計用値は表２の通りとする。

２．断面定数
断面諸定数を表３に示す。

３．断面力の算出
風荷重時の断面力を表４に示し、地震時の断面力を表５に示す。

図１２は、設計曲げモーメントと塔状構造物１０の各部の高さとの関係を示すグラフである。縦軸は塔状構造物１０の各部の高さｙ（ｍ）を示し、横軸は曲げモーメント（ｋＮ・ｍ）を示す。

図１２に示す白丸は、表４に示す風荷重時における設計曲げモーメントのデータをプロットしたものであり、図１２に示す黒丸は、表５に示す地震荷重時における設計曲げモーメントのデータをプロットしたものである。また、図１２に示す点線は、表４，表５に示すひび割れモーメントＭｃｒを示し、図１２に示す太実線は、表４，表５に示す降伏モーメントＭｙを示す。

表４，表５，図１２より明らかな通り、風荷重時及び地震時における曲げモーメントＭｄは、ひび割れモーメントＭｃｒ以上となっている箇所があるものの、降伏モーメントＭｙ以下となっている。従って、塔状構造物１０が風荷重時や地震時において極めて大きな荷重を受けたとしても安全である。

図１３は、本発明の別の実施形態が適用された外ケーブルを用いた塔状構造物４０の設計例を示すもので、この塔状構造物４０の縦断面を示す側面図である。

図１３に示す塔状構造物４０は、プレストレストコンクリート構造の長柱状の塔状構造物であって、構造物本体４２の基底部は基礎５０に固定されている。この構造物本体４２は、第１の設計例と同様の超高強度繊維補強モルタルからなるもので、複数のプレキャストセグメント部材４１を長手方向に連結してなるものである。

図１４，図１５は、図１３に示す塔状構造物４０の内部構造を示す説明図で、図１４は、図１３に示す塔状構造物４０のＫ−Ｋ矢視図、図１５は、図１３に示す塔状構造物４０のＬ部の内部構造拡大図である。

図１４，図１５に示すように、この塔状構造物４０を構成する複数のプレキャストセグメント部材４１はそれぞれ筒状である。また、図１５に示すように、複数のプレキャストセグメント部材４１の内周面には、それぞれ、複数のＰＣ鋼材定着部４１ａを有するリング状の突起４１ｂが形成されており、その筒状の中空内部空間に配設されたＰＣ鋼材６０をそのＰＣ鋼材定着部４１ａに定着してプレストレスを導入する。

このように、ＰＣ鋼材６０を中空の内部空間に配設することによって、内部空間を有効に利用することができる。また、ＰＣ鋼材６０端部を突起４１ｂのような内フランジ等に定着するので、プレストレス導入作業が容易となる。

以下、第２の設計例を示す。塔状構造物４０に作用する地震時の検討結果を示す。尚、ここでは、構造物本体４２に、圧縮強度が１５０Ｎ／ｍｍ^２（設計基準強度１２０Ｎ／ｍｍ^２）の超高強度繊維補強モルタルを使用し、鋼製のものと同程度のサイズの塔状構造物４０の設計を行った。

１．設計条件
１）柱高
Ｈ＝４７．０００ｍ
２）柱径
頂部：Ｄ１＝０．３５０ｍ
基部：Ｄ２＝１．０８０ｍ
３）構造形式
プレストレストコンクリート構造（超高強度モルタル使用）
４）使用材料
超高強度繊維補強モルタルの強度性状を表６に示す。表６に示すように、圧縮強度１５０Ｎ／ｍｍ^２、曲げ強度２０Ｎ／ｍｍ^２、引張強度８Ｎ／ｍｍ^２の超高強度繊維補強モルタルとする。尚、超高強度繊維補強モルタルの設計用値は表７の通りとする。

２．地震力に対する検討
地震力によって生じる曲げモーメント及びせん断力は、各部材の高さに応じて次の式によって計算する。

曲げモーメントＭｉ＝０．４・Ｈ・Ｃｓｉ・Ｗ
せん断力Ｓｉ＝Ｃｓｉ・Ｗ
Ｃｓｉ＝０．３・Ｚ・（１−ｈｉ／Ｈ）
ここで、Ｈ：全高＝４７．０ｍ
Ｗ：地上部分の固定荷重の合計
Ｃｓｉ：高さ方向の応力の分布を示す係数
Ｚ：地域係数（＝０．９）
ｈｉ：各部分の地盤高からの高さ
１）部材重量の算定
部材重量を表８に示す。

２）断面力の算出
せん断力及び曲げモーメントを表９に示す。

３）曲げ応力度の算出
ａ）地震力による曲げ応力度
地震力による曲げ応力度を表１０に示す。

ｂ）合成応力度
ＰＣ鋼材６０のプレストレスによる応力度を表１１に示す。

ｃ）合成応力度
ａ）で求めた地震力による曲げ応力度と、ｂ）で示したＰＣ鋼材６０のプレストレスによる応力度の合成応力度を表１２に示す。

表１２より明らかな通り、高い圧縮応力度を有する超高強度繊維補強モルタルを使用することで、鋼製のものと同程度の外形寸法で塔状構造物４０を構築することが可能となる。

尚、上述した各実施形態では、本発明の塔状構造物が、複数のプレキャストセグメント部材を長手方向に連結して構築した例について説明したが、本発明の塔状構造物はこれに限られるものではなく、コンクリートを現場打ちして構築したものであってもよい。

また、上述した各実施形態では、本発明の塔状構造物が中空構造である例について説明したが、本発明の塔状構造物はこれに限られるものではなく、中実構造であってもよく、あるいは、中空構造と中実構造との組み合わせであってもよい。

本発明の一実施形態が適用された内ケーブルを用いた塔状構造物１０の設計例を示すもので、この塔状構造物１０の縦断面を示す側面図である。図１に示す塔状構造物１０のＡ−Ａ矢視図である。図１に示す塔状構造物１０のＢ−Ｂ矢視図である。図１に示す塔状構造物１０のＣ−Ｃ矢視図である。図１に示す塔状構造物１０のＤ−Ｄ矢視図である。図１に示す塔状構造物１０のＥ−Ｅ矢視図である。図１に示す塔状構造物１０のＦ−Ｆ矢視図である。図１に示す塔状構造物１０のＧ−Ｇ矢視図である。図１に示す塔状構造物１０のＨ−Ｈ矢視図である。図１に示す塔状構造物１０のＩ−Ｉ矢視図である。図１に示す塔状構造物１０のＪ−Ｊ矢視図である。設計曲げモーメントと塔状構造物１０の各部の高さとの関係を示すグラフである。本発明の別の実施形態が適用された外ケーブルを用いた塔状構造物４０の設計例を示すもので、この塔状構造物４０の縦断面を示す側面図である。図１３に示す塔状構造物４０のＫ−Ｋ矢視図である。図１３に示す塔状構造物４０のＬ部の内部構造拡大図である。

符号の説明

１０，４０塔状構造物
１１，１２，１３，１４，１５，１６，４１プレキャストセグメント部材
１７，４２構造物本体
１１ａ，４１ａＰＣ鋼材定着部
４１ｂ突起
２０，５０基礎
３０，６０ＰＣ鋼材

Claims

プレストレストコンクリート構造の長柱状の塔状構造物において、構造物本体が圧縮強度１００Ｎ／ｍｍ^２以上の超高強度モルタルからなることを特徴とする塔状構造物。
複数のプレキャストセグメント部材を長手方向に連結してなることを特徴とする請求項１記載の塔状構造物。
ＰＣ鋼材を前記構造物本体の内部空間に配設したことを特徴とする請求項１又は２記載の塔状構造物。
前記超高強度モルタルは、鋼繊維又は有機繊維を含有するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の塔状構造物。