JP2011236731A - コンクリート基礎を製造するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンクリート基礎のためのアンカーボルトシステムのより容易な取付けと、基礎と構造物との間の取付けのより高い精度とを可能にする装置および方法を提供すること。
【解決手段】構造物を支持するためのコンクリート基礎用の基礎インターフェースが、支持される構造物の穴またはボルトの配置に対応するように幾何学的に配置されている複数の貫通穴を備えた既製コンクリート要素を含む。さらに、そのような基礎インターフェースを含むコンクリート基礎を製造する方法が提供される。
【選択図】図１

Description

本開示は、コンクリート基礎に関し、詳細には、タワーのような高く、重くまたは大きな構造物を支持するためのコンクリート基礎に関する。さらに詳細には、本開示は、基礎用の既製基礎要素に関する。具体的には、本開示は、風力タービンを支持するための基礎用の既製基礎要素に関する。

送電線、通信システム、街灯照明および道路信号、橋脚、商業看板、高速道路標識、スキーリフト、風力タービン等を支持するために使用することができる構造物、例えばタワー等をそれらの各基礎上に取り付けるために、基礎の表面から突出している複数の鋼製ボルトが使用されることが多い。ボルトは、構造物のフランジを取り付けるのに使用され、フランジには貫通穴が設けられており、構造物へのフランジの取付け中、この貫通穴にボルトが押し通される。これらボルトは、通常、円形または長方形に配置されており、その幾何学的形状は、通常、取り付けられる構造物のフランジの貫通穴の配置に対応している。フランジが基礎上の定位置に置かれ、ボルトがフランジの貫通穴内に収容された後で、フランジは、ボルトに螺合され固定されるナットによって基礎にしっかり締結される。

通常、アンカーボルトとも呼ばれるボルトの全長の大部分は、基礎のコンクリートを通って突出して、機械的安定性をもたらす。このように、コンクリート基礎が成型される前に、ボルトは通常、基礎の型枠内に据え付けられる。液体コンクリートが型枠内に充填されたとき、ボルトの長さの大部分は、コンクリート内に埋まっており、後に取付けに役立つ部分のみが、コンクリートの表面から外へ突出している。

ボルトの幾何学的配置は、その貫通穴を備えたフランジを据え付けることができるように十分に正確であるべきである。場合によっては、ボルトの幾何学的配置が公称配置から数ミリメートル逸脱しただけでも、ボルトをフランジの貫通穴に押し通すことができないため、フランジはボルト上に嵌合しない可能性がある。この場合、ボルトが一体になったコンクリート基礎を破壊し再構成しなければならない可能性があるので、これは望ましくない。

したがって、ボルトの正確な配置を可能にする、成型前にコンクリート型枠内にボルトを据え付ける方法を用いることが望ましい。従来、これは以下のように行われている。型枠内での据付け前に、アンカーリングと呼ばれる既製リング上に、ボルトの一方の端部、通常は下端部が取り付けられる。リングは、通常、鋼製であり、ボルトは、通常、ナットによりリングに固定される。このリングがアンカーリングと称されるのは、リング本体（または他の適切なアンカー要素）が、構造物によって加えられた力をボルトからコンクリート基礎へ導く構造であるからである。そのために、リングは、ボルトが固定される開口または貫通穴を備えて形成されている。リング構造およびアンカーボルトを含むシステムは、アンカーボルトシステムと呼ばれる。アンカーボルトシステムは、基礎のコンクリートを成型する前に、システムが適切な高さで設けられるように、基礎のための型枠の内部に降ろされる、または取り付けられる。これは、液体コンクリートを充填した後にボルトの定められた長さが基礎の表面から突出することを意味する。

しかし、この方法では、一方の端部、通常はボルトの下端部のみがアンカーリングに固定され、一方、他方の端部は、傾いて妨げられなければ垂直に上方へ突出する。例えば、ボルトがアンカーリングに十分にしっかりと固定されていない場合、その上端部は、垂直方向から傾く可能性があり、それは先に列挙されている理由で望ましくない。通常、ボルトの上端部の正確な配置もまた確実にするために、支持構造物を導入することができる。この支持構造物は、穴が設けられている鋼製のアダプタを含み、かつ支柱（ｃｏｌｕｍｎ ｏｒ ｐｉｌｌａｒ）により支持されている。支柱は、型枠の底部に固定されているか、またはその上に立っている。次に、アダプタは、ボルト上端部を固定するのに使用される。しかし、この方法は時間がかかり、支柱は通常、成型中にコンクリート中に埋められる。すなわち、それらは再使用することができない。

さらに、従来の基礎を成型する場合、構造物が上に取り付けられるコンクリートの表面は、通常、ある程度粗い。この粗さは、基礎と取り付けられた構造物との間に間隙を生じさせる可能性があり、それは望ましくない。

上記に鑑みて、コンクリート基礎のためのアンカーボルトシステムのより容易な取付けを可能にする装置および方法を持つことが望ましい。同時に、基礎と構造物との間の取付けのより高い精度が望ましい。

上記に鑑みて、独立請求項１記載の構造物を支持するためのコンクリート基礎用の基礎インターフェースと、請求項８記載の風力タービンシステムと、請求項９記載の構造物を支持するコンクリート基礎を製造する方法とが提供される。

さらなる利点、特徴、態様、および詳細が、従属請求項、説明および図面から明らかである。

一実施形態によれば、構造物を支持するためのコンクリート基礎用の基礎インターフェースが提供され、この基礎インターフェースは、支持される構造物の穴またはボルトの配置に対応するように幾何学的に配置されている複数の貫通穴を有する既製コンクリート要素を含む。

さらなる実施形態によれば、風力タービンシステムが提供され、風力タービンシステムは、風力タービンと、風力タービンのタワーの穴またはボルトの配置に対応するように幾何学的に配置されている複数の貫通穴を有する既製のコンクリート要素、アンカー要素、少なくとも１つのアンカーボルトを具備するアンカーボルトシステムを含む基礎とを含み、アンカー要素は、少なくとも１つのアンカーボルトの一部分に取り付けられており、少なくとも１つのアンカーボルトの別の部分が、基礎インターフェースを貫通して突出しており、風力タービンのタワーが、基礎インターフェース上に取り付けられている。

別の実施形態によれば、構造物を支持するコンクリート基礎を製造する方法が提供され、その方法は、型枠を用意するステップと、支持される構造物の貫通穴またはボルトの配置に対応するように幾何学的に配置されている複数の貫通穴を有する既製コンクリート要素を含む基礎インターフェースを用意するステップと、少なくとも１つのアンカーボルトを用意するステップと、少なくとも１つのアンカー要素を用意するステップと、少なくとも１つのアンカーボルトの第１の部分を少なくとも１つのアンカー要素に取り付けるステップと、アンカーボルトシステムを形成するために、少なくとも１つのアンカーボルトの別の部分を基礎インターフェースに取り付けるステップであり、基礎インターフェースはコンクリート基礎の表面の計画的高さと基本的に同一平面をなす、ステップと、コンクリートを型枠内に充填するステップとを含む。

また、実施形態が、開示された方法を実施するための、各記載されている方法ステップを実施するための装置部品を含む装置に関する。これらの方法ステップは、ハードウェアコンポーネントにより、適切なソフトウェアによってプログラムされているコンピュータにより、その２つの任意の組合せにより、または任意の他の方法で実施されてもよい。さらに、また、本発明による実施形態が、記載されている装置が動作する方法に関する。本方法は、装置のあらゆる機能を実施するための方法ステップを含む。

当業者に対する、最良の形態を含む完全な実施可能な開示が、添付図面の参照を含めて、本明細書の残りの部分により詳細に記載されている。

一実施形態によるアンカーボルトシステムを有する基礎の概略横断面図である。 一実施形態による基礎インターフェースの上面図である。 図２の基礎インターフェースの側面図である。 さらなる実施形態による基礎インターフェースの上面図である。 別の実施形態による基礎インターフェースの上面図である。 一実施形態によるアンカーボルトと基礎インターフェースとを備えた基礎を有する風力タービンを示す概略側面図である。 一実施形態による、基礎インターフェースを有する基礎を製造する方法の例の図である。 一実施形態による、基礎インターフェースを有する基礎を製造する方法の例の図である。 一実施形態による、基礎インターフェースを有する基礎を製造する方法の例の図である。 一実施形態による、基礎インターフェースを有する基礎を製造する方法の例の図である。

ここで、本発明の種々の実施形態が詳細に参照され、その１つまたは複数の例が図で説明されている。各例が本発明の説明として提供されているが、本発明を限定する意図はない。例えば、一実施形態の一部として示され記載されている特徴を、他の実施形態にまたは他の実施形態と併せて使用して、さらに別の実施形態をもたらすことができる。本発明は、そのような修正形態および変形形態を含むものとする。

図１は、基礎インターフェース３０を含む、構造物２０を支持するためのコンクリート基礎１００の実施形態の断面図を示す。基礎インターフェースは、既製コンクリート要素３３を含む。既製のコンクリート要素は、複数の貫通穴４０を有し、それらは、支持される構造物２０の穴または貫通穴２５の配置に対応するように幾何学的に配置されている。アンカー要素１０４もまた、コンクリート基礎１００内に成型され、アンカー要素はまた、複数の貫通穴４５を備えた複数の要素を含んでいてもよい。基礎１００の内部で、アンカー要素は、典型的にはナット１１３を介してアンカーボルト１１０に固定されており、典型的にはナット１１２を介した構造物２０の取付けを可能にするために、ボルトの一部分が基礎１００の表面から突出している。基礎１００の表面と実質的に同一平面をなして、基礎インターフェース３０が設けられている。アンカーボルト１１０の一部分が、基礎インターフェースの貫通穴４０を通って突出している。構造物２０は、基礎１００上に、より具体的には基礎インターフェース３０上に取り付けられている。一実施形態では、構造物は、陸上使用用の風力タービンであってもよい。

図２は、実施形態によるコンクリート基礎インターフェース３０の上面図を示す。この制限しない例では、基礎インターフェース（これ以降、要素とも呼ばれる）は、リングとして形成されており、貫通穴４０の２つの同心円を含む。要素は強い力に耐えなければならないので、典型的には、鉄骨鉄筋コンクリート、繊維強化コンクリート、高性能コンクリート、または超高性能コンクリートで作製されている。また、それらの組合せも適切である。要素は、典型的には既製であり、これは、要素が工場で成型され、基礎のための工事現場で成型されないことを意味する。しかし、工事現場で要素を製造することもまた可能であり、本出願の範囲内に入ると見なされる。この場合の既製は、要素が基礎の成型工程中に達成可能な程度より高い精度で製造され得るように、基礎本体自体の成型前に要素が成型されることを示す。要素はまた、例えばＣＮＣミルを用いて、研削により後処理されるかまたは養生されて、幾何学的特徴の精密さを向上させ、それにより構造物取付け時の嵌合精度を向上させてもよい。図３は、図２に示されている実施形態の側面図を示す。

基礎インターフェースは、典型的には、支持される構造物のフランジの形状に実質的に類似している形状を有する。典型的形状は、長方形板、円形板、リング、陥凹部を有する長方形板、および長円形板からなる群から選択される。図２および図３は、制限しない例として、リングの形状を有する実施形態を示す。基礎インターフェースには、複数の貫通穴が設けられている。穴の直径は、典型的には、穴同士間で均一であり、支持される構造物が基礎に固定される際に用いられるアンカーボルトの直径に類似している。穴の典型的直径は、２０ｍｍから３００ｍｍまで、より典型的には４０ｍｍから２００ｍｍまでであり、穴の数と共にその値は、支持される構造物の重量および高さ、ならびに、例えば風力タービンの場合は風力など、どんな力が構造物にかかるかに強く左右される。ボルトの必要な強度および直径を計算する方法、ならびに本明細書に記載されている方法および装置のパラメータの寸法決定（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｉｎｇ）に必要な任意の他の計算が、当業者に周知である。

図２および図３に示されている例示的実施形態では、コンクリート基礎インターフェースは、例として長方形横断面を有するリングの形状を有する。横断面はまた、支持される構造物の取付けを容易にするために１つの表面が略平坦であるならば、種々の他の形状、例えば半円形、多角形、それらの組合せ等、を有していてもよい。支持される構造物が基礎に固定される際に用いられるボルトの収容部としてリングの貫通穴４０が機能するので、リングの内径は、主に支持される構造物の寸法に左右される。風力タービンの基礎に使用される制限しない実施形態では、リングの内径は、２ｍから１０ｍまで、より典型的には３ｍから８ｍまでである。径方向の内側表面と外側表面との間の距離を意味するリングの幅は、典型的に２０ｃｍから１００ｃｍまで、より典型的には３０ｃｍから６０ｃｍまでである。貫通穴の数は、支持される構造物の寸法および型に応じて、４個から３００個まで、より典型的には１０個から２００個まで変動してもよい。貫通穴４０は、典型的には円周方向に均等に分配されているが、必ずしもそうとは限らない。一実施形態では、穴が２つの同心円内に設けられており、それにより、図１に概略的に示されている通り、例えばその内側面および外側面上に構造物を固定することが可能になる。

図４は、基礎インターフェース３０の一実施形態を示し、それは複数の既製部分３５を含む。描かれている例では、インターフェースは、４つのリング部分３５を含む。それらは各々、少なくとも１つの接続要素４５を含む。一緒に固定されると、それらは基礎インターフェースを形成する。接続要素４５は、コンクリート、または典型的には鋼を含んでいてもよい。接続要素を設計し実施する適切な方法は当業者に周知であり、それらは概略的に示されているに過ぎない。部分３５の互いへの接続は、例えばボルトによりまたはさねはぎ式の接続により実現されてもよい。複数の部分が、図２に示されている一体形構造と比較して、より容易に輸送され得る。

図５は、支持される構造物が取り付けられる表面上に少なくとも１つの溝５０を含む基礎インターフェースの実施形態を示す。この溝は、基礎インターフェース内の１つまたは複数のチャネルまたはダクト６０（点線）によりインターフェースの表面の開口５５に接続されている。開口は、取り付けられる構造物に対向している表面または基礎インターフェースの側表面に設けられていてもよい。後者の場合には、基礎の成型後に、開口が依然として確実にアクセス可能であるようにすべきである。溝は、０．５ｃｍから２０ｃｍまでの、より典型的には１ｃｍから８ｃｍまでの深さ、および０．５ｃｍから２０ｃｍまでの、より典型的には１ｃｍから８ｃｍまでの幅を有していてもよい。ダクトまたはチャネル６０は、１．０ｃｍから２０ｃｍまでの、より典型的には１．５ｃｍから８ｃｍまでの直径を有していてもよい。溝、ダクトおよび開口の寸法決定は、主として支持される構造物の大きさに左右される。風力タービンのための基礎に使用される制限しない例示的実施形態では、溝、ダクトおよび開口は、典型的には全て１．０ｃｍから３．０ｃｍまでの幅である。基礎が成型されかつ構造物がその上に取り付けられた後、典型的には鋼製である構造物と基礎インターフェースとの間に、小さい間隙が残っている可能性がある。これは、基礎インターフェースおよび／または取り付けられる構造物のフランジの製造における小さい凹凸による。１ｍの距離に亙って測定される基礎インターフェースの小さな起伏は、典型的には約１ｍｍから４ｍｍまでである可能性がある。このように、インターフェースと鋼製構造物との間に最大数ｍｍの小さい間隙が残っている可能性がある。このことは、最適な耐荷重能力、防食、耐雨水性等の理由で望ましくない。したがって、構造物が取り付けられた後、溝に適切な物質が充填されてもよい。制限しない例は、グラウト、コンクリートサスペンション、または例えば樹脂もしくは熱可塑性物質などの合成物質である。物質は、開口５５およびダクト６０経由で溝５０内に注入され、溝の全長に亙って、注入圧力下で均一に送達される。溝が満たされると、充填剤が溝の縁部を越えて突出し、構造物まで間隙を充填する。充填剤が固まった後、間隙は密閉され、例えば構造物と基礎の組合せの耐荷重能力、防食、水密性を向上させる。

図１、図２、図３、図４および図５に示されている実施形態は、例えば、風力タービン５００の基礎に使用されてもよい。風力タービンは、図６に概略的に描かれている。風力タービンは、タワー２０と、ナセル２２と、ハブ２６と、２つ以上のロータブレード２８と、基礎１００とを含む。タワーは、コンクリート基礎１００に取り付けられており、コンクリート基礎は、ボルト１１０と、アンカー要素１０４と、基礎インターフェース３０とを含み、それらは全て、コンクリート基礎内に成型されている。風力タービンの代わりに、他の実施形態では、基礎は、通常コンクリート基礎を必要とする任意の他の構造物、例えばスキーリフト、放送用途のタワー、交通標識等、に使用されてもよい。

実施形態による基礎インターフェースを含む基礎を取り付ける方法が、図７から図１０に関して以下に記載されている。これは制限しない例に過ぎず、必ずしも異なる作業ブロックの記載された順番で実行される必要はないものとする。個々の設定に応じて、記載された手順または装置の修正形態が適切である可能性があり、その場合もまた、異なる順番で作業ブロックを実行することを含む。それら修正形態もまた、本発明の範囲内に入ると見なされる。

図７は、構造物が垂直に立てられる位置に掘り抜かれているビルピット２００を示す。ピットは、典型的には、丸いものであるか四角形状を有し、平坦な底部を有し、その寸法は、構造物の大きさとタイプによって決まる。次いで、ピットには型枠２２０が設けられる。型枠の底部上に、２ｃｍから２０ｃｍまでの、より典型的には３ｃｍから１２ｃｍまでの厚さの捨てコンクリートの層が成型される。いくつかの実施形態では、型枠は、ピットを掘り抜くことなく、地面上に垂直に立てられてもよい。

図８は、基礎のアンカーボルトシステムを垂直に立てるための準備を示す。典型的には鋼またはコンクリートを含む支持構造物２３０が、型枠２２０内に置かれ、捨てコンクリート２１０の層上に載っている。支持構造物は、種々の変形形態の中で選択されてもよい。例えば、溶接鋼支柱および／もしくはＴバー、またはコンクリート要素、または個々に製造される構造物、またはそれらの組合せが使用されてもよい。唯一の要件は、構造物が支持なしで捨て層上に安定して立つことができなければならないことと、構造物がアンカーボルトシステムおよび基礎インターフェースの重量に耐えることができなければならないことである。そのような支持構造物の実施が、当業者の標準知識の範囲内にある。支持構造物２３０上に、基礎インターフェース３０が配置される。

図９は、アンカーボルト１１０が基礎インターフェース３０の貫通穴４０内に配置されていることを示す。ボルトが適切な位置に固定されており、部分が基礎インターフェース３０から突出しているように、ボルトがナット１１２でしっかり締められている。ナット１１２が、後に構造物を取り付ける前に除去される。

図１０は、ボルト１１０に取り付けられているアンカー要素１０４、およびナット１１３を用いたその固定を示す。例示的実施形態では、アンカーリング１０４が使用されている。その次に、基礎インターフェースの上面が周囲のコンクリートと実質的に同一平面をなす高さまで、コンクリートがピット内に充填される。コンクリートは硬化するように放置される。ボルト１１２が除去され、基礎は、基礎インターフェース３０の表面から突出しているボルト１１０の一部に構造物を取り付けるのに使用される準備ができている。

別の実施形態では、アンカーボルト１１０、基礎インターフェース３０、アンカー要素またはアンカーリング１０４、およびナット１１２、１１３のシステムはまた、ピット２００の外側に取り付けられ、次いで型枠内の支持体２３０上に配置されてもよい。

本明細書は、例を使用して、最良の形態を含めて本発明を開示しており、また、当業者が本発明を作製し使用することを可能にしている。本発明は種々の特定の実施形態の観点から記載されているが、本発明を特許請求の範囲の精神および範囲内の修正形態で実践することができることを、当業者は認識するであろう。特に、前述の実施形態の相互に非排他的な特徴が、互いに組み合わされてもよい。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により定められており、当業者に思い付く他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言と僅かしか異ならない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内に入るものとする。

２０ 構造物／タワー
２２ ナセル
２５、４０ 貫通穴
２６ ハブ
２８ ロータブレード
３０ 基礎インターフェース
３３ 既製コンクリート要素
３５ 既製部分
４５ 貫通穴／接続要素
５０ 溝
５５ 開口
６０ チャネル／ダクト
１００ コンクリート基礎
１０４ アンカー要素
１１０ アンカーボルト
１１２、１１３ ナット
２００ ビルピット
２１０ 捨てコンクリート
２２０ 型枠
２３０ 支持構造物
５００ 風力タービン

Claims (10)

1. 構造物を支持するためのコンクリート基礎用の基礎インターフェースであって、
   支持される構造物の穴またはボルトの配置に対応するように幾何学的に配置されている複数の貫通穴を有する既製コンクリート要素
   を含む、基礎インターフェース。
2. 前記コンクリート要素の材料が、鉄骨鉄筋コンクリート、繊維強化コンクリート、高性能コンクリートもしくは超高性能コンクリート、またはそれらの任意の組合せからなる群から選択される、請求項１記載の基礎インターフェース。
3. 前記コンクリート要素が、長方形板、円形板、リング、陥凹部を有する長方形板、および長円形板からなる群から選択される形状を有する、請求項１または２記載の基礎インターフェース。
4. 前記コンクリート要素が、接合されて前記要素を形成するようになされている複数の部分を含み、前記部分の各々が、少なくとも１つの接続要素を含む、請求項１乃至３のいずれか記載の基礎インターフェース。
5. 前記少なくとも１つの接続要素が鋼を含む、請求項４記載の基礎インターフェース。
6. 前記基礎インターフェースの表面に溝が設けられており、前記溝が、支持される前記構造物の幾何学的形状を実質的に有する、請求項１乃至５のいずれか記載の基礎インターフェース。
7. 前記溝が、少なくとも１つのチャネルまたはダクトにより、前記基礎インターフェースの前記表面の開口に接続されている、請求項６記載の基礎インターフェース。
8. 風力タービンと、
   アンカーボルトシステムを含む基礎とを備え、前記アンカーボルトシステムが、
   請求項１乃至７記載の既製基礎インターフェースと、
   少なくとも１つのアンカー要素と、
   少なくとも１つのアンカーボルトと
   を含み、
   前記少なくとも１つのアンカー要素が、前記少なくとも１つのアンカーボルトの一部分に取り付けられており、前記少なくとも１つのアンカーボルトの別の部分が、前記基礎インターフェースを貫通して突出しており、前記風力タービンのタワーが前記基礎インターフェース上に取り付けられている、
   風力タービンシステム。
9. 構造物を支持するコンクリート基礎を製造する方法であって、
   型枠を用意するステップと、
   支持される構造物の穴またはボルトの配置に対応するように幾何学的に配置されている複数の貫通穴を有する既製基礎インターフェースを含む基礎インターフェースを用意するステップと、
   少なくとも１つのアンカーボルトを用意するステップと、
   少なくとも１つのアンカー要素を用意するステップと、
   前記少なくとも１つのアンカーボルトの第１の部分を前記少なくとも１つのアンカー要素に取り付けるステップと、
   前記基礎インターフェースが前記コンクリート基礎の表面の計画的高さと実質的に同一平面をなし、かつ前記少なくとも１つのアンカーボルトの別の部分を前記基礎インターフェースの前記貫通穴の１つに押し通すように、前記基礎インターフェースを配置するステップと、
   前記型枠内にコンクリートを充填するステップと
   を含む、方法。
10. 前記基礎インターフェースが、貫通穴を備えるリングの形状を有し、前記少なくとも１つのアンカー要素が、貫通穴を備えるリングの形状を有し、取り付けられる前記構造物は風力タービンである、請求項９記載の方法。

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