JP2015535316A - 支柱アセンブリおよびそれにより組み立てられる構造 - Google Patents

Abstract

２つの支持体（４，６）の間に配置されて長手方向（８）に延びているほぼ直線状の支柱（２）を有し、その支柱が、２つの端板継手（２２）を介して互いに結合されて長手方向（８）に相前後して配置された少なくとも３つのセグメント（１０，１２，１４）、即ち１つの中央セグメント（１０）および２つの外側セグメント（１２，１４）から構成されており、両支持体（４，６）の長手方向（８）の動きが防止されている支柱アセンブリにおいて、負荷を平らにならす機能を維持すると同時に構造内での外部力を均一に配分しながら、熱的強制力の制御された縮小を可能しようとするものである。これは、本発明によれば、次によって達成される。中央セグメント（１０）が両端部にそれぞれ１つの中央セグメント端板（１８）を有し、両外側セグメント（１２，１４）のそれぞれが中央セグメント（１０）の方に向けられた端部に１つの外側セグメント端板（２０）を有し、互いに対向する両端板（１８，２０）が一緒に１つの端板継手（２２）を成すように、各外側セグメント端板（２０）がそれに対向する中央セグメント端板（１８）に対して相補的に整列させられており、各端板継手（２２）の両端板（１８，２０）が、それらの端板（１８，２０）における開口（２６）に貫通案内された接続ボルト（２８）を介して互いに結合されており、各端板継手（２２）の少なくとも一方の端板（１８）における開口（２６）が長孔（３４）として形成されており、前記セグメント（１０，１２，１４）の熱的な膨張又は収縮の際に両外側セグメント（１２，１４）に対して相対的に中央セグメント（１０）が側方に移動できるように、両端板継手（２２）が長手方向（８）に対する垂直平面に対して互いに反対方向に傾斜させられ、かつ前記長孔（３４）が配置されて整列させられている。【選択図】図１

Description

本発明は、２つの支持体の間に配置されて長手方向に延びているほぼ直線状の支柱を有し、その支柱が、２つの端板継手を介して互いに結合されて長手方向に相前後して配置された少なくとも３つのセグメント、即ち１つの中央セグメントと２つの外側セグメントから構成されており、両支持体の長手方向の動きが防止されている支柱アセンブリに関する。さらに、本発明は、そのような支柱アセンブリにより組み立てられる構造、特に鋼構造に関する。

鋼製支柱は、しばしば意図した使用目的に必要な長さの一体ものに製造されないで、使用現場まで輸送される。むしろ短い長さの予め製造された複数のセグメントが現場の組立場所で連結される。これは、しばしば、端面側に実際の支柱形状に合わせて一体形成又は接合した端板が互いにボルト締めされるいわゆる端板継手又は端面板継手を介して行われる。一般に、この種の端板は支柱の長手方向に対して垂直に向けられている。

核施設おける鋼構造は（しかし、他の応用分野における鋼構造も）、特に高い荷重をかけられる主支柱は、しばしば温度の影響により生じる高い強制作用に対抗するように設計されている。他方では、その鋼構造は、実荷重や、例えば地震により誘発される衝撃等のあらゆる外部荷重ができるだけ一様に排除できるように設計されて支持されていなければならない。これは、熱膨張補償のためのできるだけ拘束のない支持を要望することと矛盾する。一般に、剛性の低下は耐荷重能力の低下につながる。

従来においては、主に可動支持体又は浮動支持体を使用することにより接続部の軸方向移動（拘束のない支持）を実現することによって、熱的な強制力が考慮された。この接続形式には、動力学的な外部応力の際に荷重を系内で均一に配分するために、十分な軸方向の剛性が不足している。それゆえ、これらの構造は、経済的に見て満足できるものではない。

本発明の課題は、負荷を平らにならす機能を維持すると同時に構造内での外部力を均一に配分しながら、熱的強制力の制御された縮小を可能にする代替的な支柱アセンブリを提供することにある。

この課題は、本発明によれば、独立の請求項１の特徴事項によって解決される。

それに従って、冒頭に述べた如き支柱アセンブリは、次の特徴事項を有する。
・中央セグメントが両端部にそれぞれ１つの中央セグメント端板を有し、両外側セグメントのそれぞれが中央セグメントの方に向けられた端部に１つの外側セグメント端板を有し、
・互いに対向する両端板が一緒に１つの端板継手を成すように、各外側セグメント端板がそれに対向する中央セグメント端板に対して相補的に整列させられており、
・各端板継手の両端板が、それらの端板における開口に貫通案内された接続ボルトを介して互いに結合されており、
・各端板継手の少なくとも一方の端板における開口が長孔として形成されており、
・前記セグメントの熱的な膨張又は収縮の際に両外側セグメントに対して相対的に中央セグメントが側方に移動できるように、両端板継手が長手方向に対する垂直平面に対して互いに反対方向に傾斜させられ、かつ前記長孔が配置されて整列させられている。

従って、本発明の課題は鋼構造による簡単で経済的な構造により解決される。長孔結合において鋼板、圧延形鋼およびボルトだけが必要であり、特別な構造部材は必要でない。上述の構造部材を簡単に組み合わせることによって、温度影響下で拘束を低減する支持が達成されると同時に、外部荷重に対する耐荷重性能の維持が達成される。熱応力によるセグメントの軸方向の膨張は、長手方向に対する垂直方向への構造の側方回避によって補償される。その際には、高い強制力が、ボルト結合の部分予圧によって実現される端板間の静止摩擦に打ち勝つ。これに対して、外部の静力学的および／または動力学的な負荷によっては、構造的理由から支柱の中央セグメントの側方回避ができない。温度作用の終了後にセグメントは再び収縮し、それによって自動的に側方に向けられた復帰力が生成され、その復帰力が中央セグメントをずらして再び初期位置に戻す。

通常の設計の場合、通常の周囲温度では支柱のセグメントが一直線状に／一列に並んでいるが、著しい温度上昇の際には中央セグメントが側方に押し出されるようになっている。しかし、適切な方法で温度低下、従ってセグメントの収縮に反応する、いわばその移動された状態を基本状態とするシステム設計を基礎に置いてもよい。接続ねじ、ないし接続ボルトが基本状態において長孔のほぼ中央にあり、それに応じて中央セグメントが少し列からはみ出している場合には、温度変化の種類に応じて両方向の移動自由度が存在する。

各中央セグメント端板の傾斜軸が（端板継手においてその中央セグメント端板と対向する外側セグメント端板の傾斜軸も）、長手方向に対して垂直に向けられていると有利である。さらに両中央セグメント端板の傾斜軸が互いに平行に向けられているとよく、また両中央セグメント端板が長手方向に対する垂直平面に対して等しい大きさの傾斜角を有するとよい。この傾斜角が３０°と６０°との間の範囲内にあり、とりわけ４５°であることが好ましい。それによって、セグメントの熱膨張により自動的に起こる中央セグメントの上述の側方移動が最適な方法で支援される一方で、耐荷重性能が最善の方法で維持されたままである。しかし、方向および角度の上述の指定からの少しの偏差、例えば傾斜軸の僅かの曲り又はねじれよる少しの偏差、又は端板継手の軽度に異なる傾斜による少しの偏差は可能である。

中央セグメントの側方移動の際にいわば各端板継手の接続ねじ、ないし接続ボルトのための案内レールとして有効な長孔は、もちろん、この移動可能性がもたらされるように、相応する端板内に配置され整列させられている。上述のジオメトリへの適切な調整においては、長孔が各中央セグメント端板の傾斜軸に対して垂直な向きに整列させられている。

好ましい実施形態では、前記開口が、中央セグメント端板において長孔として形成され、外側セグメント端板において丸孔として形成されている。しかし、それは逆にされてもよい。両開口に、即ち端板継手の両端板に接続ねじ、ないし接続ボルトが貫通案内され／差し込まれ、外側から前記開口の側方縁部にかぶさるように端板上に載せたボルト頭部および／またはナットによって当該接続ボルトが固定される。しかし、可能な変形例においては、接続ボルトが端板継手の両端板の少なくとも一方に一体形成もしくは接合（例えば溶接）され、他方の端板における長孔に差し込まれ、外側からナットによって固定されていてもよい。

長孔が、全周囲にわたって閉じられ、即ち、全面的に端板によって縁取りされ、例えば端板の外周縁に対して向かって開放されていないのが有利である。このようにして中央セグメントの側方移動が制限され、中央セグメントが支柱から側方に外れて落ちることはない。中央セグメントの最大の側方移動距離は構造的に実現可能な範囲内にある。それによって、支柱の安定性および耐荷重性能が危険値以下に下がらないことが保証されている。

既述のように、１つの端板継手の両端板は、支柱組立時に解放可能な摩擦結合による接続部材によって互いに固定され、又は締め付けられる。このために、好ましくは接続ボルトが使用され、特にスタッドボルトの形式および／又は有頭ボルト又はほぼ円筒状の軸を有する螺合形成に適した類似部材の形式の接続ボルトが使用される。これらの接続ボルトは、通常のやり法で、場合によっては座金との組み合わせで付属のナットにより、又は代替としてスプリングピン等により固定されて引張力をかけられる。両端板は、例えばボルト又はナットの適切な固定の引き締めによって、温度作用による中央セグメントの移動可能性が維持されて残るように互いに締め付けられる（部分予圧）。

適切な実施形態では、支柱が鋼製支柱であり、その支柱の個々のセグメントは、例えば端面側に一体形成又は接合された、特に溶接された端板を有する圧延形鋼として製造されている。その代わりに、支柱又はそれの少なくとも個々の構成部材が他の材料、特に最近の複合材料（合成材料）等から製造さていてもよい。個々の支柱セグメントは、従来のようにして分割されていてもよく、即ち例えば長手方向に対して垂直に向けられた端板継手を有する元は分離していた部分セグメントから構成されていてもよい。原理的には、例えば５個のセグメントから成りかつ長手方向に見て第２および第４のセグメントが側方移動のために上述のように設計されている支柱を製造することも可能である。この場合には第１乃至第３のセグメントから成る組み合わせ又は第３乃至第５のセグメントの組み合わせが唯一のセグメントとみなすことができるので、この種の構造は請求項の文言によって一緒に考慮することができる。

前記端板は、グラグラせず安定したねじれにくい台座とそれぞれの接続相手との結合とを可能にする平らな接触面を有するとよく、それらの接触面は、支柱の中央セグメントが側方移動する際にすべり面を形成する。代替実施形態においては、それらの接触面が移動方向に向けられた階段を有することもでき、それにより側方移動のための案内レールが実現されている。端板は、特に中実の支柱又は閉じられた箱形断面の場合に、接続部材の取り付けや、組立およびメンテナンスの際における接続部材へのアクセスを容易にするために、支柱断面から側方に突出するフランジを有するとよい。代替として、閉じられた断面および／または中実断面の場合に、材料内に適切なアクセス開口を設けてもよい。

上述の支柱アセンブリは、例えば原子力施設又はその他の産業施設における鋼構造又は建築物、特に鋼製プラットフォーム又は支持構造物の構成部材であるとよい。

本発明による構想は、鋼構造物の新築時および既存鋼構造の強化用に適している。この場合に構造物のジオメトリは殆ど影響を及ぼされず、作業場での支柱接続の大幅な予備組立が可能である。

本発明により得られる利点は、特に、長孔・ボルト結合と堅固な接続部ジオメトリとを用いて部分締め付けされる端板継手によって個々のセグメントが互いに結合されている支柱のセグメント構成によって、同時に熱的、静力学的および動力学的に負荷をかけられる構造において外部荷重に対する耐曲げ性能を維持しながら、しかも簡単な鋼構造による構造原理を用いて特別な構造部材なしに、熱的強制作用からの応力の制御された縮小が実現できることにある。

それにともなって次のことがもたらされる。
・動作位置もしくは組込位置における曲げに強い耐荷重結合、
・鋼構造における強制応力を縮小するための付加的な構造的可能性、
・全体構造における材料節減に基づく従来よりも経済的な設計、
・熱応力による膨張と、外部荷重に対する耐荷重性能の維持とを同時に唯一の構造で調和させること。

以下において本発明の実施例を図面に基づいてさらに詳細に説明する。

図１は本発明の大気温度での第１の形態形における支柱の縦断面を示す概略図である。 図２は図１による支柱の切断線Ａ−Ａに沿った断面を示す概略図である。 図３は図１による支柱の切断線Ｂ−Ｂに沿った断面を示す概略図である。 図４は図１の高められた温度での第２の形態形における支柱の縦断面を示す概略図である。 図５は図４による支柱の切断線Ｃ−Ｃに沿った断面を示す概略図である。

全ての図において、同じ部分には同一符号が付されている。

図１に大気温度（ΔＴ＝０）における縦断面図で示された支柱２は、縦長の直線状の鋼製支柱として形成されており、この鋼製支柱は、ここでの例では、鉛直方向に上方支持体４と下方支持体６との間に挟み込まれている。長手方向８における支柱２の全長は、Ｌで示されている。両支持体４，６は、例えば周辺構造又は固定装置によって長手方向８の移動が阻止されている。特に、それらの支持体は固定支持体であるとよい。他の構造において支柱２は横にした配置又は斜めにした配置も可能である。

支柱２は、工場で予め製作され最初は３つに分離され、建設現場で組み立てられ互いに結合されるセグメント１０，１２，１４、即ち、１つの中央セグメント１０と１つの上方の外側セグメント１２と１つの下方の外側セグメント１４とから構成されている。３つのセグメント１０，１２，１４のそれぞれは、例えば対称の二重Ｔ形材から形成された支柱部材１６を有する。支柱２の断面形状は延在長さの全体にわたってほぼ一定である。もちろん他の断面形状も使用することができる。場合によっては、３つのセグメント１０，１２，１４は、異なる断面形状および／または長手方向に変化する断面形状を有していてもよい。

接続／結合を行うために、中央セグメント１０は両端にそれぞれ１つの平らな中央セグメント端板１８を有し、各中央セグメント端板１８は支柱部材１６に溶接されている。両外側セグメント１２，１４は、適切な設計で、それぞれ中央セグメント１０の方に向けられた端部に外側セグメント端板２０を有し、それによって組立終了状態において２つの端板継手２２が形成される。両端板継手２２のそれぞれにおいては、該当の連結仲間同士が、それらの外側に向けられた接触面で横の広がり全体にわたって平らに互いに当接している。

高い耐曲げ性能を維持しながら、両支持体４，６の間において支柱２のできるだけ拘束のない支承を可能にするために、特有の傾斜を有する端板継手２２が構成されている。具体的には、両中央セグメント端板１８が、それぞれの想定された傾斜軸２４を中心として互いに反対向きに水平面に対して傾けられて配置されている。両傾斜軸２４は、互いに平行にかつ長手方向８に対して垂直に、この図１では図平面に対して垂直に、支柱断面形状の対称軸を通って延びている。両中央セグメント端板１８のそれぞれは、水平面に対して（従って、垂直面に対しても）４５°の角度αを取る。一般的に表現すると、長手方向８に対する垂直面に対して、その角度αを取る。反対向きの傾斜によって、両中央セグメント端板１８は、図１による断面図において、それらの端板１８を左方向に相応に延長するならば、横にしたＶ字形を成している。外側セグメント端板２０は、それに合わせられた相補的なやり方で傾斜させられている。そのために３つのセグメント１０，１２，１４の支柱部材１６が終端接続部において（留め継ぎで切断される角部接続におけると同様に）相応に斜めに切断され、端板１８，２０が支柱部材１６の端面側エッジに溶接されている。それに従って、図１において、中央セグメント１０は二等辺対称台形の外形を有する。

各端板継手２２において互いに対向する端板１８，２０の持続的な結合は、ボルト結合によって行われる。そのために、端板１８，２０は、図２および図３における図示に従って適切に位置決めされた開口２６もしくは孔を有する。好ましくは両端領域に２つの反対方向のねじ部分を有するボルト（スタッドボルト）２８がそれらの開口に差し込まれ、両側からナット３０によって、即ち、前記開口の側方部にかぶさるように端板上に配置されてねじ結合するナット３０によって固定される。代替として、それぞれ唯一のナットによって締付け固定される有頭ボルトの使用も可能である。

この実施例において具体的には、各外側セグメント端板２０における開口２６は、それぞれ差し込まれるボルト２８又はボルト軸の直径よりも僅かに大きい直径を有する丸孔として形成されている（図２）。各中央セグメント端板１８における開口２６は長孔として形成されており、それらの長孔の幅は、それぞれ差し込まれるボルト２８又はボルト軸の直径よりも僅かに大きく設計されているが、それらの長孔の長さは明らかにその幅よりも大きい（図３）。

各中央セグメント端板１８における長孔３４の長手方向３６は、組立最終状態において端板１８の傾斜軸２４に対して垂直に延び、ここでは図１の図平面に対して平行に延びている。長孔３４は、丸孔３２に対して、次のように配置されている。即ち、３つのセグメント１０，１２，１４が、長手方向８に見て一直線／一列になっている図１に示された構造においては、台形の長い底辺の方に向いている長孔３４の端に、つまり図２において右端に、ボルト２８又はボルト軸が位置決めされるように配置されている。

上述の構造は、温度上昇（ΔＴ＞０）の際に、温度上昇に伴って生じる３つのセグメント１０，１２，１４の長手方向８における膨張作用と、両支持体４，６の間での両外側セグメント１２，１４の固定の挟み込みとによって、中央セグメント１０が、長手方向８に対して横方向の、即ち台形の長い底辺の方への（ここでは右方向への）合成力を受ける結果となる。

このことは、ボルト結合の初期締付け力が適切に調整されている場合に両端板継手２２の端板１８，２０間の静止摩擦に打ち勝つために必要な最小温度差ΔＴを超過した際に、図１の基礎に置いた初期状態に対して、中央セグメント１０が上述の方向に移動し、即ち側方に回避する。一方では互いに接触する端板１８，２０の接触面が長手方向８に対して横方向への力の転向を生じさせ、他方では両端板が互いにすべり面を形成する。中央セグメント端板１８における長孔３４は、必要な並進自由度を提供すると共に、相対的に図２に示す空所の方向へ、ここでは左方向へ移動するボルト２８又はボルト軸のための案内レールを形成する。

温度差ΔＴが高いほど、中央セグメントの側方移動が大きくなる。移動経路は、両端で閉じられた長孔３４の有限の長手方向の延びによって制限される。

最大の移動状態が図４に示されている（ΔＴ＞＞０）。今や、ボルト２８又はボルト軸が、台形の短い底辺の方に向いている長孔３４の端部にあり、長孔３４と中央セグメント端板１８の外側縁部との間の材料壁がストッパとして作用する（図５）。３つのセグメント１０，１２，１４の加算された全長は、それぞれ支柱断面の対称軸において測って、元のＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３から今や（Ｌ１＋ΔＬ１）＋（Ｌ２＋ΔＬ２）＋（Ｌ３＋ΔＬ３）に増している。これらの両長さ寸法の差が図４にｆ_aにより示されている。しかし、距離ｆ_qだけの中央セグメント１０の側方移動によって、支柱２の全長Ｌは同じままである。ここでの特殊例ではＬ１＝Ｌ３であり、従って少なくともほぼΔＬ１＝ΔＬ３であるが、一般的にこの対称性は、かならずしも必要というわけではない。

さらになおも温度が上昇したならば、支柱２のそれ相応の圧潰又は曲げ変形、又は支持体４，６のゆるみ、又はボルト２８又はボルト軸の剪断をもたらし得る支柱２の著しい拘束が発生するであろう。

中央セグメント１０の移動は可逆である。後続する温度低下およびそれに応じたセグメント１０，１２，１４の収縮について、初期状態として図４に示した形態形を基礎に置いてもよく、これは、そのような温度低下および収縮の際に図１に示した形態形をもたらす。

２ 支柱
４ 上方の支持体
６ 下方の支持体
８ 長手方向
１０ 中央セグメント
１２ 上方の外側セグメント
１４ 下方の外側セグメント
１６ 支柱部材
１８ 中央セグメント端板
２０ 外側セグメント端板
２２ 端板継手
２４ 傾斜軸
２６ 開口
２８ スタッドボルト
３０ ナット
３２ 丸孔
３４ 長孔
３６ （長孔３４の）長手方向
α 傾斜角

Claims (13)

1. ２つの支持体（４，６）の間に配置されて長手方向（８）に延びているほぼ直線状の支柱（２）を有し、その支柱が、２つの端板継手（２２）を介して互いに結合されて長手方向（８）に相前後して配置された少なくとも３つのセグメント（１０，１２，１４）、即ち１つの中央セグメント（１０）および２つの外側セグメント（１２，１４）から構成されており、両支持体（４，６）の長手方向（８）の動きが防止されている支柱アセンブリであって、
   ・前記中央セグメント（１０）が両端部にそれぞれ１つの中央セグメント端板（１８）を有し、両外側セグメント（１２，１４）のそれぞれが中央セグメント（１０）の方に向けられた端部に１つの外側セグメント端板（２０）を有し、
   ・互いに対向する両端板（１８，２０）が一緒に１つの端板継手（２２）を成すように、各外側セグメント端板（２０）がそれに対向する中央セグメント端板（１８）に対して相補的に整列させられており、
   ・各端板継手（２２）の両端板（１８，２０）が、それらの端板（１８，２０）における開口（２６）に貫通案内された接続ボルト（２８）を介して互いに結合されており、
   ・各端板継手（２２）の少なくとも一方の端板（１８）における開口（２６）が長孔（３４）として形成されており、
   ・前記セグメント（１０，１２，１４）の熱的な膨張又は収縮の際に両外側セグメント（１２，１４）に対して相対的に中央セグメント（１０）が側方に移動できるように、両端板継手（２２）が長手方向（８）に対する垂直平面に対して互いに反対方向に傾斜させられ、かつ前記長孔（３４）が配置され整列させられている、
   支柱アセンブリ。
2. 各中央セグメント端板（１８）の傾斜軸（２４）が長手方向（８）に対して垂直に向けられている、請求項１記載の支柱アセンブリ。
3. 両中央セグメント端板（１８）の傾斜軸（２４）が互いに平行に向けられている、請求項２記載の支柱アセンブリ。
4. 両中央セグメント端板（１８）が長手方向（８）に対する垂直平面に対して等しい大きさの傾斜角（α）を有する、請求項３記載の支柱アセンブリ。
5. 傾斜角（α）が３０°と６０°との間の範囲内にある、とりわけ４５°である請求項４記載の支柱アセンブリ。
6. 長孔（３４）が各中央セグメント端板（１８）の傾斜軸（２４）に対して垂直に向けられている、請求項３乃至５の１つに記載の支柱アセンブリ。
7. 前記開口（２６）が、中央セグメント端板（１８）においては長孔（３４）として形成され、外側セグメント端板（２０）においては丸孔（３２）として形成されている、請求項１乃至６の１つに記載の支柱アセンブリ。
8. 長孔（３４）が全周囲にわたって閉じられている、請求項１乃至７の１つに記載の支柱アセンブリ。
9. 各接続ボルト（２８）がスタッドボルト又は有頭ボルトとして形成されている、請求項１乃至８の１つに記載の支柱アセンブリ。
10. 温度作用による中央セグメント（１０）の側方への移動可能性が維持されて残るように、端板継手（２２）の端板（１８，２０）が組立最終状態において互いに締め付けられている、請求項１乃至９の１つに記載の支柱アセンブリ。
11. 支柱（２）が鋼製支柱である、請求項１乃至１０の１つに記載の支柱アセンブリ。
12. 支柱（２）が鉛直に向けられている、請求項１乃至１１の１つに記載の支柱アセンブリ。
13. 請求項１乃至１２の１つに記載の支柱アセンブリを有する構造物、特に鋼製プラットフォーム。

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